Le cancer figure parmi les principales causes de décès dans le monde. Afin de traiter le cancer, les chimiothérapies en combinaison avec la chirurgie sont les plus utilisées. Des composés organométalliques tel que les sels de platine représentent une référence en clinique. Malgré leur succès, ils comportent des limites qui sont des toxicités sur les tissus sains et le développement de résistances. Notre équipe collabore depuis plusieurs années avec divers chimistes afin de développer de nouvelles molécules organométalliques anticancéreuses à base de Ruthénium (ROC) et à base d'Osmium (ODC). Au cours de ma thèse, j'ai réalisé des études de type structure/fonction de nouvelles molécules afin de trouver les paramètres physicochimiques importants pour leur activité biologique et afin d'identifier leur mode d'action. Mes travaux ont démontré que le potentiel d'oxydoréduction des composés serait un facteur important pour leur cytotoxicité. De plus, j'ai identifié de nouvelles voies de signalisation régulées par ces composés, tels que les voies de signalisation d'Hif-1 et Nrf2, et les HDAC. L'ensemble de ces résultats nous permet de mieux comprendre les propriétés biologiques des composés organométalliques ce qui à terme devrait permettre une optimisation de leur structure pour améliorer leur activité anticancéreuse. / Cancer is one of the leading causes of death in the world. To treat cancer, several therapeutic approaches exist. Chemotherapy in combination with surgery is one of the most used. Organometallic compounds such as platinum salts represent a reference in clinic. Despite their success, they have limitations that are toxicity to healthy tissue and the development of resistance. Our team has been working for several years with chemists to develop new organometallic Ruthenium (ROC) and Osmium compounds (ODC). During my Ph.D. I performed structure/function studies on novel molecules in order to find the important physico chemical parameters for their biological activity. My work demonstrated that the redox potential is a crucial factor for the cytotoxicity of the compounds. ln addition, I identified novel regulatory pathways that are targeted by these compounds, such as the Hif1 and Nrf2 pathways, and the HDACs. All together these results allow us to have a better understanding of the biological properties of the organometallic compounds, which will in time allow a optimization of their structure to favor their anticancer activity.

Le cancer gastrique (CG) est traité par résection chirurgicale combinée à une chimiothérapie à base de composés de platine. La résistance croissante aux chimiothérapies renforce la nécessité d’identifier des marqueurs moléculaires robustes pour adapter le traitement et développer des thérapies ciblées. Durant ma thèse, j’ai montré l’importance des voies de l’épigénétique dans le mode d’action de drogues anti-cancéreuses dans le CG. Notamment, j’ai identifié le rôle d’une histone déacétylase, HDAC4, et de plusieurs miRNAs, dont miR-140, dans la réponse au cisplatine. De plus, j’ai démontré que des composés à base de ruthénium ayant des propriétés redox agissent indépendant de l’ADN et de p53 mais affectent certaines régulations épigénétiques. Ceci m’a donc conduit à étudier l’intérêt thérapeutique et les mécanismes sous-jacents d’un traitement combiné associant le cisplatine et des inhibiteurs de HDAC. L’ensemble de ces résultats permet d’ouvrir de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes d’action des drogues anticancéreuses dans le CG et dans l’identification de marqueurs pronostiques ou de thérapie innovante plus adaptée. / Gastric cancer (GC) is treated by surgical resection combined with chemotherapy based on platinum compounds. The increase in chemotherapy resistance reinforces the need to identify robust molecular markers to tailor treatment and develop targeted therapies. During my PhD, I examined the importance of the epigenetic pathways in the mode of action of anticancer drugs in gastric cancer. In particular, I have identified the role of one histone deacetylase, HDAC4, and several miRNAs, including miR-140, in response to cisplatin. Moreover, I have shown that ruthenium compounds having redox properties act independently of DNA and p53 but affect some epigenetic regulations. This then led me to investigate the therapeutic value and the underlying mechanisms of a combined therapy associating cisplatin and HDAC inhibitors. All these results will open new perspectives in the understanding of the mechanisms of action of anticancer drugs in gastric cancer and in the identification of prognostic markers or more appropriate advanced therapy.

Les cibles épigénétiques telles que les histones désacétylases (HDAC) sont étudiées comme nouveaux traitements anticancéreux, leur fonctionnement anormal étant associée aux processus cancéreux. De nombreux inhibiteurs de ces enzymes sont apparus tel que le SAHA ou le CI-994. Notre laboratoire a développé un nouvel analogue de la trichostatine A appelé NODH. Malgré leur activité anticancéreuse in vitro prometteuse, ces inhibiteurs souffrent de leur manque de solubilité, d'effets toxiques et de leur rapide métabolisation par l'organisme. Afin de pallier ces limitations, ces iHDAC peuvent être conjugués à des vecteurs capables de les transporter dans l'organisme et de les libérer une fois la cible tumorale atteinte. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer des prodrogues acido-sensibles capable de libérer la substance active après endocytose par les cellules. Ces systèmes ont été appliqués aux trois iHDAC SAHA, CI-994 et NODH. Les prodrogues développées ont ensuite été accrochées sur des nanoparticules polymériques connues pour leur biocompatibilité et leur accumulation dans les tumeurs grâce à l'effet EPR. L'activité anticancéreuse de certaines nanoparticules a été validée par des tests in vitro et in vivo. Un deuxième travail a été entrepris concernant la préparation de prodrogues fluorescentes pH labiles capables de libérer la substance active et de moduler la fluorescence par la variation du pH. La dernière partie de ce travail a été consacrée à la mise au point d'une nouvelle méthode de synthèse par voie superacide potentiellement stéréosélective de benzofuranones nécessaires à la préparation d'analogues de NODH. / Epigenetic targets like histone deacetylases (HDAC) are studied as new anticancer treatments, their dysfunctioning being associated to cancer mechanisms. Several epigenetic target inhibitors have been developed like SAHA or CI-994. Our group has developed a new trichostatin A analogue called NODH. Despite their promising in vitro anticancer effect, these inhibitors suffer from lack of solubility, toxic effects and rapid clearance. These constrains make the HDACi good candidates for ligation to vectors able to carry them in the body and to release them when the tumor is reached. The first part of this thesis work has focused on the development of acid sensitive prodrugs able to release an active substance after cellular internalization by endocytosis. These systems were applied to three HDACi SAHA, CI-994 and NODH. These prodrugs were then conjugated to polymeric nanoparticles known for their biocompatibility and their accumulation in tumors exploiting the EPR effect. The anticancer activity of some nanoparticles has been validated by in vitro and in vivo tests. The second part of this work was carried out in order to prepare pH sensitive fluorescent prodrugs able to release the active molecule and to modulate the fluorescent effect by pH changes. The last part of this work was dedicated for the development of a new synthesis in suparacid potentially stereoselective of several benzofuranones required for the preparation of NODH analogs.

L’utilisation chronique des glucocorticoïdes conduit généralement au développement d’une résistance aux glucocorticoïdes impliquant une modulation de l’expression de gènes impliqués dans l’inflammation ou la progression tumorale comme celui codant la MMP-9. L’expression de la MMP-9 est régulée par des mécanismes épigénétiques notamment l’acétylation des histones gouvernée par la balance HDAC/HAT (histone deacetyltransferase/histone acetyltransferase) et les micro-ARNs (miRs), mécanismes également impliqués dans les phénomènes de cortico-résistance. Cependant, les altérations épigénétiques survenant suite à un traitement chronique aux glucocorticoïdes et leurs répercutions sur l’expression de la MMP-9 ne sont pas encore clairement élucidés. L’objectif de notre étude consiste donc à déterminer le rôle des mécanismes épigénétiques dans le phénomène de résistance aux glucocorticoïdes à travers leur implication dans la régulation de l’expression de la MMP-9. Nous avons montré que l’exposition chronique aux glucocorticoïdes a perturbé, à la fois, la balance HDAC/HAT (favorisant une hyperacétylation des histones) et l’expression des miRs conduisant ainsi à une surexpression de la MMP-9. De plus, nous avons montré qu’en inhibant les HDACs par le MS-275 amplifiant ainsi le phénomène d’hyperacétylation des histones, le profil d’expression des miRs a été davantage perturbé, une perturbation qui s’est répercuté sur l’expression et la sécrétion de la MMP-9. En conclusion, nous avons montré que l’acétylation des histones et la modulation de l’expression des miRs pourraient agir en harmonie pour contrôler l'expression de la MMP-9 dans un contexte de résistance aux glucocorticoïdes. / Chronic use of glucocorticoids generally leads to the development of glucocorticoid resistance which involves a modulation of the expression of genes involved in inflammation or tumor progression as that encoding the MMP-9. MMP-9 expression is regulated by epigenetic mechanisms including histone acetylation governed by the balance HDAC / HAT (histone deacetyltransferase / histone acetyltransferase) and microRNAs (miRs). These mechanisms could be involved in the phenomena of cortico-resistance. However, epigenetic alterations occurring after chronic treatment with glucocorticoids and their repercussions on MMP-9 expression are not yet clearly understood. The aim of our study is to determine the role of epigenetic mechanisms in the phenomenon of glucocorticoid resistance through their involvement in the regulation of MMP-9 expression. We demonstrated that chronic exposure to glucocorticoids disrupted both the balance HDAC / HAT (favoring a histone hyperacetylation) and expression of miRs thus leading to an overexpression of MMP-9. In addition, we have shown that inhibiting HDACs by MS-275 thereby amplifying the phenomenon of histone hyperacetylation, the expression profile of miRs was more disturbed. This disturbance has affected MMP-9 expression and secretion. In conclusion, we have shown that histone acetylation and modulation of miRs expression of harmony miRs could act to control the expression of MMP-9 in a glucocorticoid resistance context.

Les travaux de thèse concernent la synthèse et la vectorisation d'analogues de la combrétastatine A-4, une molécule naturelle connue pour ses propriétés anti-vasculaires et cytotoxiques. Ces recherches se situent à l’interface de la chimie et de la biologie.D'une part, des études en méthodologie de synthèse, mettant en œuvre des réactions de couplages entre des composés diazo-précurseurs et des halogénoarènes ou des amines ont été réalisées dans le but de fournir des outils de synthèse nécessaires à la constitution de chimiothèques. Ces études ont conduit à la synthèse des 2-pyridilalkylamines à partir de pyridotriazole et d’amines, à la synthèse du motif 1,1-diaryléthyl via une réaction green ainsi qu'à l’accès au noyau benzofurane à travers une réaction « one-pot ».D’autre part, des analogues duaux de l'isocombrétastatine A-4, inhibiteurs de la tubuline et des histones désacétylases ont été développés. L'évaluation biologique de ces analogues a permis d’identifier deux molécules « lead » dont les activités antiprolifératives sur des lignées cellulaires cancéreuses sont de l'ordre du nanomolaire. D'excellents résultats d'inhibition de la polymérisation de la tubuline et de l’histone déacétylase 8 ont également été observés.Finalement, des essais de vectorisation de quelques analogues de l’isoCA-4 sous forme de liposomes ou d’ADC ont été réalisés. / The thesis reports the synthesis and vectorization of combretastatin A-4 analogues, a natural molecule known for its anti-vascular and cytotoxic properties. Our research work is at the chemistry-biology interface.On the first hand, synthetic methodology studies were performed, indeed coupling reactions between diazo-precursors and haloarenes or amines have been carried out providing new and interesting synthethic tools. These studies led to the synthesis of 2-pyridylalkylamines from pyridotriazole and amines, as well as to the synthesis of the 1,1-diarylethylene compounfs via a green reaction and finally to access to the benzofuran ring through a one-pot fashion reaction ".On the other hand, dual targeting analogs of isocombretastatin A-4 with tubulin and histone deacetylases inhibition properties have been developed. The biological evaluation of these analogs allowed us to identify two lead molecules whose antiproliferative activities on cancer cell lines are in the order of nanomolar. These molecules showed an excellent tubulin polymerization and histone deacetylase 8 inhibitions.Finally, vectorization assays of some isoCA-4 analogs using liposomes or ADCs were performed.

As our understanding of cancer biology increases and novel therapies are developed, an increasing number of predictive biomarkers are becoming clinically available. Aberrant acetylation has been strongly linked to tumourigenesis and the modulation of acetylation through targeting histone deacetylase (HDAC) has led to the introduction of many HDAC inhibitors. To date, two have had regulatory approval for the treatment of cutaneous T cell lymphoma (CTCL). Modifications in chromatin control underpin the mechanism of action of HDAC inhibitors. A genome wide loss-of-function screen identified HR23B as a gene that governs sensitivity to HDAC inhibitors. HR23B shuttles ubiquitinated cargo proteins to the proteasome and elevated levels may contribute to cell death mediated by this pathway. It also governs cell sensitivity to drugs that act directly on the proteasome. HDAC inhibitors influence proteasome activity and there may be a synergistic interaction with proteasome inhibitors. HR23B and HDAC6 interact and HDAC6 may be a negative regulator of apoptosis and a positive regulator of autophagy and through its ability to down-regulate HR23B, may impact on the cellular outcome of HDAC inhibitor treatment. Expression of HR23B has been correlated with clinical response to HDAC inhibitors in a retrospective analysis of CTCL patients. The tissue expression of HR23B and the autophagy marker LC3 has been investigated and there may be a reciprocal relationship in their expression in some tumours which may provide prognostic information and patients with low HR23B expression but high levels of autophagy appear to have a particularly poor prognosis. Well designed, biomarker-driven prospective clinical trials are needed to clarify the predictive and prognostic roles of HR23B.

The synthesis and characterisation of novel bisnaphthalimidopropyl polyamine (BNIPP) derivatives, has gained pace over the last couple of years, as they have enhanced aqueous solubility, without loss of biological activity, in contrast to parent bisnaphthalimide derivatives. Recent work has shown that bisnaphthalimidopropyl spermidine (BNIPSpd) bis-intercalates to DNA, induces oxidative DNA damage, depletes polyamine levels and causes cell death, by apoptosis, in human colon cancer CaCO-2 and HT-29 cells. The aim of this thesis was to synthesise new BNIPP derivatives to highlight the important structural features required for biological activity, particularly, bisnaphthalimidopropyl functionality, and investigate their subsequent modes of action in breast cancer MDA-MB-231 and breast epithelial MCF-10A cells. Initially, work focused on determining the DNA binding affinities and biological activity of BNIPP derivatives. All BNIPP derivatives, except bisphthalimidopropyl diaminodecane (BPHPDadec) and mononaphthalimidopropylamine (NPA) (Δ Tm values of 15.8 and 10.2 °C, respectively, C50 values of > 10 μM, IC50 values of > 40 μM), exhibited strong DNA binding affinities and cytotoxic properties in both cell lines. Results indicate that BNIPP derivatives interact with DNA by bis-intercalation suggesting, therefore, that BNIPP derivatives target DNA. For the first time, an investigation into the mechanism of cellular entry, via the polyamine transport (PAT) system, was studied. However, none of the BNIPP derivatives utilised the MGBG-specific PAT system, suggesting that BNIPP derivatives utilise other modes of cellular entry. Two BNIPP derivatives, BNIPSpd and BNIPDaCHM, were further investigated, and results show that these derivatives significantly induced a dose dependent increase in DNA strand breaks from ≥ 0.1 μM, after 4 hours. BNIPSpd and BNIPDaCHM (at non toxic concentrations) also inhibited the repair of oxidative (H2O2) and methylative (MMS)-induced DNA strand breaks. Based on phosphatidylserine exposure and membrane integrity analyses, early apoptotic cell death was determined as a mode of cell death utilised by both BNIPSpd and BNIPDaCHM (5 μM), after only 0.5 hours treatment in MDA-MB-231 cells. Interestingly, BNIPDaCHM was identified, using HDAC assay kits, as a potent and selective SIRT2 enzyme inhibitor, thus, identifying, a novel structural backbone for the selective inhibition of HDAC enzymes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

During development, oligodendrocytes (OLGs), the myelinating cells of the central nervous system (CNS), undergo a stepwise progression during which OLG progenitors, specified from neural stem/progenitor cells, differentiate into fully mature myelinating OLGs. This progression along the OLG lineage is characterized by well-synchronized changes in morphology and gene expression patterns. The studies presented in this dissertation identified the extracellular factor Autotaxin (ATX) as a novel upstream signal modulating HDAC1/2 activity and gene expression in cells of the OLG lineage. Using the zebrafish as an in vivo model system, as well as rodent primary OLG cultures, this functional property of ATX was found to be mediated by its lysoPLD activity, which has been well-characterized to generate the lipid signaling molecule lysophosphatidic acid (LPA). LPA binds to Gprotein-coupled LPA receptors (LPARs) on the surface of OLGs to initiate downstream signaling events. ATX’s lysoPLD activity was found to modulate HDAC1/2 regulated gene expression during a time window coinciding with the transition from OLG progenitor to early differentiating OLG. When looking further downstream of the ATX-LPA axis, down-regulation of LPA receptor 6 (LPA6) was found to reduce the expression of OLG differentiation genes as well as the overall process network area of OLGs. Thus, LPA6 plays a role in both the gene expression and morphology changes seen in OLG differentiation. These findings prove useful for future therapeutic targets needed for demyelinating diseases of the CNS such as Multiple Sclerosis (MS), in which OLGs fail to differentiate into mature OLGs, needed for remyelination. Additionally, white matter injury has been frequently reported in HIV+ patients. Previous studies showed that HIV-1 Tat (transactivator of transcription), a viral protein that is produced and secreted by HIV-infected cells, is a toxic factor to OLGs. We show here that Tat treatment reduces the expression of OLG differentiation genes and the overall process network area of OLGs. Additionally, Tat-treated OLGs have reduced ATX lysoPLD activity and there is a physical interaction between Tat and ATX. Together, these data strongly suggest functional implications of Tat blocking ATX’s lysoPLD activities and thus the ATX-LPA signaling axis proves to play a significant role in the development of OLGs.

En raison de l’efficience des traitements, le taux de survie globale à 5 ans des patients avec un cancer gastrique (CG) est d’environ 15%. A l’heure actuelle, il n’existe pas de stratifications des patients permettant de prescrire un protocole de traitements efficace. Durant ma thèse, j’ai établi le rôle de HDAC4 dans la sensibilité des cellules de CG au Cisplatine. J’ai montré que cette réponse semble dépendre du type de CG (intestinal ou diffus) et du statut p53 des cellules cancéreuses. J’ai souligné l’intérêt de combiner un inhibiteur des HDACs (SAHA) avec les chimiothérapies à base de dérivés de platine (PDC : Cisplatine, Oxaliplatine) afin de promouvoir leurs effets cytotoxiques. De manière intéressante, j’ai observé que la réponse aux traitements combinés est différente suivant le statut p53 des cellules cancéreuses. Ces résultats permettent d’ouvrir de nouvelles perspectives dans l’utilisation des traitements combinés PDC + SAHA dans la thérapie du CG. En particulier, le facteur p53 qui est souvent muté dans les CG, pourrait être un marqueur thérapeutique pour un tel protocole de traitement. / Due to the efficiency of treatments, the 5-year overall survival rate for patients with gastric cancer (GC) is approximately 15%. Currently, there is no stratification of patients to prescribe an effective treatment protocol.During my thesis, I established the role of HDAC4 in the sensitivity of GC cells to Cisplatin. I have shown that this response seems to depend on the type of GC (intestinal or diffuse) and the p53 status of cancer cells. I emphasized the interest of combining an HDAC inhibitor (SAHA) with platinum derivative chemotherapies (PDC: Cisplatin, Oxaliplatin) to promote their cytotoxic effects. Interestingly, I observed that the response to combination treatments is different depending on the p53 status of the cancer cells.These results open new perspectives in the use of PDC + SAHA combination therapies in GC. The p53 factor that is often mutated in GC could be a therapeutic marker for a such treatment protocol.