Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments. / Liposomes are promising and versatile nanocarriers suitable for potential applications in many fields. A decade ago, a new type of liposomes formed from monoalkylated amphiphiles and sterols was born somehow fortuitously in our group. They are referred to as Sterosomes, because they contain a large proportion of sterols, between 50 and 70 mol %. The objectives of the present thesis are to develop novel Sterosome formulations with specific features, and to gain a deeper understanding of the physicochemical rules that dictate their phase behavior. We have specifically examined the role of the molecular features of sterols, of the interfacial charges and of the H-bond capacity in the intermolecular interactions leading to the self-assembly. The phase behavior was characterized by differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance spectroscopy of deuterium (2H NMR). First, we have established some correlations between the structure of the sterols, the propensity to form fluid bilayers, and the permeability of the resulting large unilamellar vesicles (LUVs). The nature of the sterol modulates the properties of the mixture with palmitic acid (PA). Sterols bearing a bulky tail chain at C17 are less capable to induce fluid bilayers than those with a non-bulky tail chain, like that of cholesterol. A large ordering of the alkyl chain of PA is an effect exhibited by all of the investigated sterols. It is shown that the permeability of the LUVs can be controlled using different sterols. However, these sterols have no significant impact on the pH-sensitivity of Sterosomes. In order to create liposomes that are pH-sensitive and that have a positive surface charge, Sterosomes composed of stearylamine and cholesterol (Chol) were designed and characterized. It is concluded that the protonation/deprotonation state of the amine (in this work) and carboxylic acid (in previous work) groups confers the pH-sensitivity and determines the surface charge of the liposomes. The first completely neutral Sterosomes were crafted based on the creation of strong intermolecular hydrogen bond networks. The sulfoxide group was capable of forming strong hydrogen bonds with cholesterol and water molecules. In an equimolar octadecyl methyl sulfoxide (OMSO)/Chol mixture, a metastable fluid bilayer was obtained at room temperature. This distinct phase behavior allowed extruding the mixtures to form LUVs at room temperature. After 30 h, the life-time of the metastable phase, stable and impermeable Sterosomes still existed in the solid form. A temperature–composition diagram was proposed to summarize the phase behavior of OMSO/Chol mixtures. Finally, a further step was made to prepare “stealth” Sterosomes by incorporating polyethylene glycol (PEG) with a cholesterol anchor (PEG-Chol) at the interface of PA/Chol Sterosomes. Up to 20 mol % PEG-Chol can be introduced without disturbing the bilayer structure. The presence of PEG-Chol had no significant impact on the permeability of the resulting LUVs. Active-loading of an anti-cancer drug, doxorubicin, can be achieved despite the low permeability of these LUVs and the presence of the PEG at the interface. The inclusion of PEG modified considerably the interface properties and decreased significantly the pH-triggered release observed with naked PA/Chol LUVs. This novel formulation is potentially useful for the application of intravenous administration in the drug delivery field.

Nous avons optimisé des liposomes thermosensibles, encapsulant un principe actif anticancéreux, le 5-Fluorouracile (5-FU), afin de déclencher sa libération par une hyperthermie locale modérée (39-42°C) induite par des ultrasons focalisés. L'hyperthermie sera appliquée au niveau de la tumeur, afin d'améliorer l’efficacité thérapeutique et de réduire la toxicité systémique. Les liposomes ont été formulés par hydratation du film lipidique en mélangeant la 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DPPC) pour sa thermosensibilité à 41,5 ± 0,5°C, le cholestérol (CHOL) pour favoriser la stabilité des liposomes vis-à-vis des composants du sang, et le 1,2-distéaroyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine-N-[méthoxy(polyéthylène glycol)-2000] (DSPE-PEG) pour assurer la furtivité de la formulation. Les expériences ont confirmé que les liposomes formulés à base de DPPC/CHOL/DSPE-PEG dans un ratio molaire 90 : 5 : 5 mol% sont thermosensibles. Des liposomes composés du même mélange lipidique dans un rapport 65 : 30 : 5 mol% ont été considérés comme contrôle négatif non thermosensible. L’optimisation de l’encapsulation passive du 5-FU a permis d’obtenir une efficacité d’encapsulation (5-FU encapsulé/5-FU total) de 13%, mais le 5-FU est très faiblement retenu (12%) dans la cavité aqueuse des liposomes du fait du gradient osmotique à la dilution. La rétention du 5-FU a été optimisée (93%) par la technique d’encapsulation active basée sur la complexation intraliposomale du 5-FU avec le complexe cuivre-polyéthylèneimine préalablement encapsulé dans les liposomes. Cette technique a également permis d’améliorer l’efficacité d’encapsulation d’un facteur trois environ (37%), avec un taux de charge (ratio final 5-FU/lipides, mole/mole) de 50% environ. Nous avons alors obtenu des liposomes thermosensibles d'un diamètre hydrodynamique de 65 nm et de charge de surface de -10 mV. Les liposomes non thermosensibles, ont été caractérisés par un diamètre hydrodynamique de 105 nm et une charge de surface de -4,9 mV. La libération du 5-FU déclenchée par une hyperthermie induite par des ultrasons focalisés a été mesurée in vitro. En réponse à une hyperthermie de 42°C, les liposomes thermosensibles libèrent 68% de leur contenu, au bout de 10 min, alors que les liposomes non thermosensibles en libèrent moins de 20%. En outre, la cytotoxicité des liposomes encapsulant le complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine a été évaluée vis-à-vis de la lignée cellulaire HT-29 du carcinome colorectal humain. Les résultats ont révélé que les lipides à une concentration de 800 µM ne sont pas cytotoxiques (80% de viabilité). De plus, la complexation du 5-FU n’influence pas sa cytotoxicité ce qui prouve que la toxicité provient du 5-FU et non des excipients. En revanche, l’encapsulation du complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine dans les liposomes induit une diminution de la concentration inhibitrice médiane de 115 (solution du complexe) à 49 µM environ, corrélée à leur internalisation cellulaire. La pharmacocinétique chez des souris porteuses d’un modèle de tumeur colorectale HT-29 xénogreffée a montré que les liposomes permettent de prolonger d’un facteur 1,4 la demi-vie plasmatique de distribution du 5-FU. De plus, les aires sous la courbe des concentrations plasmatiques sur 24 h sont 1,9 et 2,9 fois plus élevées lorsque le 5-FU est administré sous forme de liposomes thermosensibles et non thermosensibles, respectivement, par rapport à la solution de 5-FU. Enfin, les liposomes non thermosensibles augmentent significativement d'un facteur 2 l'accumulation du 5-FU dans la tumeur par rapport à la solution de 5-FU. En conclusion, les liposomes thermosensibles développés présentent un fort intérêt pour une application thérapeutique en combinaison avec des ultrasons focalisés. / We optimized thermosensitive liposomes encapsulating an anticancer drug, 5-Fluorouracil (5-FU), in order to trigger the release upon focused ultrasound-mediated mild hyperthermia at the tumor. This approach would improve drug efficacy and would lower side effects. Liposomes were prepared by the lipid hydration method by mixing 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) for its temperature sensitivity at 41.5 ± 0.5°C, cholesterol (CHOL) to promote liposome stability towards blood components, and 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG) to confer stealthiness to the formulation. The experiments confirmed that the liposomes formulated with DPPC/CHOL/DSPE-PEG in a molar ratio 90:5:5 mol% are thermosensitive, while liposomes composed of the same lipid mixture in a ratio 65:30:5 mol% were considered non thermosensitive negative control. The optimization of passive encapsulation of 5-FU yielded an encapsulation efficacy (encapsulated 5-FU/total 5-FU) of 13%. 5-FU was, however, very weakly retained (12%) in the aqueous core of liposomes following dilution due to the generation of an osmotic gradient. The retention of 5-FU has been optimized (93%) by the active encapsulation technique based on the intraliposomal complexation of 5FU with copper-polyethylenimine complex encapsulated beforehand into liposomes. This technique also improved 5-FU encapsulation efficacy by 3-fold (37%), yielding a loading efficiency (final drug/lipid ratio, mol/mol) of approximately 50%. The resulting thermosensitive liposomes and non thermosensitive liposomes have a hydrodynamic diameter and a surface charge around 65 nm and -10 mV, and 105 nm and -4.9 mV, respectively. Heat-triggered drug delivery was evaluated using focused ultrasound, and showed a release of 68% of the encapsulated 5-FU from thermosensitive liposomes, within 10 min, whereas release remained below 20% for the non thermosensitive formulation. Furthermore, the cytotoxicity of 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes towards HT-29 human colorectal carcinoma cell line was evaluated. Results revealed that lipids at a concentration of 800 µM are not cytotoxic (80% viability). Moreover, 5-FU complexation has no impact on its cytotoxic activity, disclosing that liposomes toxicity arose from 5-FU and not from the excipients. Nevertheless, 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes exhibited a lower half maximal inhibitory concentration of 49 µM compared to 115 µM for complex solution. This enhancement of cytotoxicity was attributed to the cellular internalization of liposomes. Pharmacokinetics in mice bearing HT-29 xenograft tumor showed that liposomes can extend the plasma distribution half-life of 5-FU by a factor 1.4. Furthermore, areas under the concentration-time curve over 24 h were higher by 1.9- and 2.9-fold when the drug was encapsulated into thermosensitive and non thermosensitive liposomes, respectively, compared to free 5-Fluorouracil. Finally, non thermosensitive liposomes significantly increased 5-FU accumulation in tumor by 2-fold, compared to 5-FU solution. In conclusion, these 5-FU-loaded thermosensitive liposomes represent valuable carriers to investigate the therapeutic efficacy following focused ultrasound-mediated heat application.

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments. / Liposomes are promising and versatile nanocarriers suitable for potential applications in many fields. A decade ago, a new type of liposomes formed from monoalkylated amphiphiles and sterols was born somehow fortuitously in our group. They are referred to as Sterosomes, because they contain a large proportion of sterols, between 50 and 70 mol %. The objectives of the present thesis are to develop novel Sterosome formulations with specific features, and to gain a deeper understanding of the physicochemical rules that dictate their phase behavior. We have specifically examined the role of the molecular features of sterols, of the interfacial charges and of the H-bond capacity in the intermolecular interactions leading to the self-assembly. The phase behavior was characterized by differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance spectroscopy of deuterium (2H NMR). First, we have established some correlations between the structure of the sterols, the propensity to form fluid bilayers, and the permeability of the resulting large unilamellar vesicles (LUVs). The nature of the sterol modulates the properties of the mixture with palmitic acid (PA). Sterols bearing a bulky tail chain at C17 are less capable to induce fluid bilayers than those with a non-bulky tail chain, like that of cholesterol. A large ordering of the alkyl chain of PA is an effect exhibited by all of the investigated sterols. It is shown that the permeability of the LUVs can be controlled using different sterols. However, these sterols have no significant impact on the pH-sensitivity of Sterosomes. In order to create liposomes that are pH-sensitive and that have a positive surface charge, Sterosomes composed of stearylamine and cholesterol (Chol) were designed and characterized. It is concluded that the protonation/deprotonation state of the amine (in this work) and carboxylic acid (in previous work) groups confers the pH-sensitivity and determines the surface charge of the liposomes. The first completely neutral Sterosomes were crafted based on the creation of strong intermolecular hydrogen bond networks. The sulfoxide group was capable of forming strong hydrogen bonds with cholesterol and water molecules. In an equimolar octadecyl methyl sulfoxide (OMSO)/Chol mixture, a metastable fluid bilayer was obtained at room temperature. This distinct phase behavior allowed extruding the mixtures to form LUVs at room temperature. After 30 h, the life-time of the metastable phase, stable and impermeable Sterosomes still existed in the solid form. A temperature–composition diagram was proposed to summarize the phase behavior of OMSO/Chol mixtures. Finally, a further step was made to prepare “stealth” Sterosomes by incorporating polyethylene glycol (PEG) with a cholesterol anchor (PEG-Chol) at the interface of PA/Chol Sterosomes. Up to 20 mol % PEG-Chol can be introduced without disturbing the bilayer structure. The presence of PEG-Chol had no significant impact on the permeability of the resulting LUVs. Active-loading of an anti-cancer drug, doxorubicin, can be achieved despite the low permeability of these LUVs and the presence of the PEG at the interface. The inclusion of PEG modified considerably the interface properties and decreased significantly the pH-triggered release observed with naked PA/Chol LUVs. This novel formulation is potentially useful for the application of intravenous administration in the drug delivery field.

Mémoire par article / Hypothèse : L’incorporation dans des liposomes d’aptamères spécifiques à un principe actif permet d’obtenir une encapsulation active du principe actif et de modifier les profils de libération sans diminuer l’efficacité thérapeutique. Méthode : Une série d’aptamères d’affinité variable a été incorporée dans la préparation de liposomes cationiques. Ces lipoplexes ainsi formés ont été caractérisés en taille par diffusion dynamique de la lumière et par la mesure du potentiel de surface zêta. Ils ont été optimisés en matière de complexation maximale des aptamères, puis incubés avec la doxorubicine, choisie comme principe actif modèle. L’efficacité d’encapsulation de la doxorubicine a été comparée avec et sans aptamères, et contre la méthode d’encapsulation active offerte commercialement. Les meilleures formulations ont été étudiées sur le plan de la cinétique de libération et l’efficacité de celles-ci a été évaluée pour leur cytotoxicité sur des cellules cancéreuses de type HeLa. Résultats : Les vecteurs cationiques optimisés permettent la complexation d’au moins 94% des aptamères. Trois des quatre aptamères ont démontré de l’encapsulation active de la doxorubicine, avec des efficacités d’encapsulation allant jusqu’à 85%. De ces trois formulations, différents profils de libération ont été obtenus, permettant tous une libération plus importante qu’une formulation ressemblant aux liposomes commerciaux de doxorubicine (Doxil®). L’efficacité des trois formulations testées sur les cellules HeLa s'est avérée équivalente ou supérieure au standard similaire du Doxil®. / Hypothesis : Incorporation in some liposomes of specific aptamers for a drug allowed the obtaining of active encapsulation of that drug and allowed the modification of their drug release profiles, without negatively impacting its therapeutic efficacy. Methods : A series of aptamers of various affinity were incorporated in the preparation of cationic liposomes. The resulting lipoplexes were characterized for their size by dynamic light scattering method and their surface potential were analysed by zeta potential measurement. Lipoplexes were optimized in terms of highest aptamer complexation and they were incubated with doxorubicin, a model drug that was chosen. The encapsulation efficiency of doxorubicin was compared with and without the presence of aptamers, and with the commercially available active loading method. The best formulations were studied for their doxorubicin’s release kinetic, with the different aptamers, and they were tested for their cytotoxicity on HeLa cancer cells. Results : Cationic liposomes were optimized to allow a minimum aptamer complexation of 94%. Three out of the four tested aptamers were able to demonstrate active loading capabilities, with up to 85% encapsulation efficiencies. Out of these three formulations, very different release profiles were found, all allowing more initial content release of the commercially-like available doxorubicin’s liposomes (Doxil®). The efficacy of those three formulations on HeLa cancer cells demonstrated equivalent or higher cytotoxicity than the similar standard of Doxil®.