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El desarrollo de nanofármacos aplicados en terapias frente al cáncer es un prometedor campo de la biomedicina en el cual se entrecruzan diferentes disciplinas científicas como la biología, la ciencia de los materiales, química, medicina y farmacia. Con la aplicación clínica de este tipo de materiales se pretende superar los inconvenientes que presentan los actuales tratamientos contra el cáncer, como una limitada efectividad terapéutica y un gran número de efectos secundarios. La presente tesis doctoral se ha enfocado en la síntesis de nanofármacos basados en sílice para la difusión intracelular y liberación controlada del agente antineoplásico camptotecina. En primer lugar, se llevó a cabo la síntesis de diversos nanomateriales aplicando el método sol-gel. En paralelo, se obtuvieron diferentes profármacos para su posterior incorporación a los materiales mediante enlace covalente. Tras una completa caracterización, se comprobó la estabilidad de los nanofármacos en medio fisiológico y, una vez demostrada su robustez, se procedió al estudio del mecanismo de liberación del principio activo a partir del nanofármaco, realizando experimentos de liberación mediante la aplicación de diferentes estímulos. Sobre los datos experimentales obtenidos se aplicaron varios modelos cinéticos de liberación de fármacos, observando que la difusión en matrices granulares es el fenómeno físico-químico de mayor influencia. Posteriormente, se evaluó la actividad antineoplásica in vitro de los nanofármacos mediante ensayos de viabilidad celular, apreciando una toxicidad similar a la del fármaco libre. Por otro lado, también se realizaron experimentos para determinar los principales factores que influyen en la internalización de los materiales por parte de las células, siendo estos el diámetro hidrodinámico y la hidrofobicidad del material. Finalmente, se investigó la biodistribución, tolerabilidad y eficacia terapéutica in vivo en un modelo de xenoinjerto de cáncer colorectal humano en ratones. A pesar de observarse una importante captación del nanofármaco por células del sistema retículoendotelial, la acumulación del sistema terapéutico en el tumor mejoró la efectividad del fármaco libre, a la vez que se minimizaron los efectos secundarios del agente antitumoral. Los resultados obtenidos apuntan al desarrollo de una nueva generación de fármacos basados en nanomateriales híbridos orgánicoinorgánicos, capaces de llevar a cabo terapias anticancerígenas con un elevado grado de eficacia y selectividad. / Muniesa Lajara, C. (2013). Materiales nanoestructurados biocompatibles basados en sílice. Preparación y aplicaciones en terapia anticancerígena [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29691

This thesis concerns the design and implementation of novel auto-immolative spacers for use in probes for enzymatic activity in vivo.The first part relates the development and in vitro validation of cyclisation spacers which couple the action of an aminopeptidase to the release of a phenol. The modular three-component fluorogenic probes based on these 1,2-diamine spacers are very robust (halflife > 560 h), but are also rapidly enzymatically processed, and quickly (halftime ~3 min) release an exceptionally photostable, insoluble ESIPT fluorophore. The probes have excellent detection sensitivity relative to current methods (signal to control ratio > 3000:1), and provide the first demonstration of a macroscopically binary off-ON system for phenol-releasing probes of aminopeptidase activity. The probe system may allow the exceptionally sensitive, ESIPT-based molecular imaging of a range of exopeptidases. The spacers may also be applied in off ON peptidase probes of other phenolic fluorophores, to peptidase-specific phenol/alcohol prodrugs for targeted therapy, or more generally in chemical adapter technologies.In the second part, two novel families of auto-immolative elimination/tautomerisation spacers were designed for use in three-component off ON magnetogenic probes sensing glycosidase activity. The first known substrate-spacer designs based on 2-hydroxyfurans and on carbimidates were explored. Notably, 2 furanol glycosides were synthesised in pursuit of high-energy alternatives to quinone methides, and a general method for preparing model carbimidate-bearing ligands for pro-magnetic probes was elaborated.

This thesis concerns the design and implementation of novel auto-immolative spacers for use in probes for enzymatic activity in vivo.The first part relates the development and in vitro validation of cyclisation spacers which couple the action of an aminopeptidase to the release of a phenol. The modular three-component fluorogenic probes based on these 1,2-diamine spacers are very robust (halflife > 560 h), but are also rapidly enzymatically processed, and quickly (halftime ~3 min) release an exceptionally photostable, insoluble ESIPT fluorophore. The probes have excellent detection sensitivity relative to current methods (signal to control ratio > 3000:1), and provide the first demonstration of a macroscopically binary off-ON system for phenol-releasing probes of aminopeptidase activity. The probe system may allow the exceptionally sensitive, ESIPT-based molecular imaging of a range of exopeptidases. The spacers may also be applied in off ON peptidase probes of other phenolic fluorophores, to peptidase-specific phenol/alcohol prodrugs for targeted therapy, or more generally in chemical adapter technologies.In the second part, two novel families of auto-immolative elimination/tautomerisation spacers were designed for use in three-component off ON magnetogenic probes sensing glycosidase activity. The first known substrate-spacer designs based on 2-hydroxyfurans and on carbimidates were explored. Notably, 2 furanol glycosides were synthesised in pursuit of high-energy alternatives to quinone methides, and a general method for preparing model carbimidate-bearing ligands for pro-magnetic probes was elaborated.

Les espaceurs auto-immolables sont des assemblages moléculaires inactifs permettant de découpler deux entités chimiques A (un groupe protecteur subissant une activation) et B (un composé d'intérêt, tel qu'un principe actif, un rapporteur ou un autre espaceur) par des liaisons covalentes. Sous l'effet d'un stimulus externe (activation), A est clivé spontanément lors d'un processus irréversible appelé auto-immolation, qui provoque la libération de l'espèce B. Cette dernière est généralement inactive lorsqu'elle est intégrée dans l'espaceur ; en revanche, une fois libérée, elle retrouve son activité intrinsèque.La cinétique du processus d'auto-immolation contrôle la corrélation spatio-temporelle existant entre l'activation et la libération de la substance active. L'objectif principal de ce travail a été précisément de fournir un ensemble complet de données permettant d'établir des relations structure/propriétés cinétiques fiables dans une série d'espaceur auto-immolable contenant une structure aromatique portant un substituant hydroxyle et s'appuyant sur un mécanisme impliquant une cascade électronique. Ainsi, nous avons utilisé un groupe photactivable et la lumière pour déclencher le processus d'auto-immolation d'une grande banque d'espaceurs auto-immolables, qui présentent un temps caractéristique d'auto-immolation s'étalant sur un large éventail d'échelle de temps (10-4-104s).Au cours de ce travail, nous avons également développé des espaceurs auto-immolables, qui libérent deux composés après activation. Ces systèmes ont été mis en ¿uvre pour répondre à l'analyse quantitative d'un substrat libéré par photodéprotection dans les systèmes biologiques. / Self-immolative spacers are inactive molecular assemblies decoupling two chemical entities A (a protecting group undergoing activation) and B (a compound of interest such as a drug, a reporter or another spacer) via covalent bonds. Under the effect of an external stimulus (activation), A is cleaved thus spontaneously initiating an irreversible process called self-immolation, which ultimately causes the release of the species B. The latter is usually inactive by binding on the spacer but, once released, it recovers its intrinsic activity. The kinetics of the self-immolation process controls the spatiotemporal correlation existing between activation and release of the active compound. Although many kinetic studies have been already reported on various series of self-immolative spacers, literature still lacked homogeneous information permitting comparative analysis of the kinetics of self-immolation. The major aim of this work was precisely to provide an extensive set of data drawing reliable structure property relationships in a series of self-immolative spacers containing an aromatic structure bearing a hydroxyl substituent and relying on a mechanism involving an electronic cascade. Thus we used a photactivable group and light to trigger the disassembly process of a large collection of self-immolative spacers, which exhibit self-immolation time varying over a wide range of time scale (10-4-104s). During this work, we also developed self-immolative spacers, which could release two compounds after a single activation. These systems have been implemented to address the quantitative analysis of a substrate released by uncaging in biological systems.

L’imagerie médicale a permis à l’Homme de mieux connaitre son anatomie, le fonctionnement de son corps, et de diagnostiquer ses pathologies à des stades de plus en plus précoces, à partir de techniques peu invasives. Au cœur de cette discipline, l’imagerie moléculaire permet d’observer les processus biologiques qui participent au fonctionnement du vivant à des fins exploratoires, diagnostiques, thérapeutiques et aujourd’hui théranostiques. L’activité enzymatique étant à l’origine d’une grande part du métabolisme, la plupart des pathologies implique le dérèglement de celle-ci. L’observation par imagerie moléculaire de cette activité constitue alors un outil prépondérant de l’arsenal médical. Parmi les techniques d’imagerie les plus adaptées à cet enjeu, l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) permet d’observer les tissus et organes de façon non invasive, en s’appuyant couramment sur l’administration au patient d’agents de contraste. Ces molécules destinées à renforcer la qualité des images acquises peuvent également être utilisées pour réagir à la présence de cibles biologiques d’intérêt, notamment des enzymes, accompagnant ainsi les clichés obtenus d’informations biologiques et physiologiques. Parmi les nombreux outils pharmacologiques destinés à l’IRM, les complexes de lanthanides ont déjà prouvé leur efficacité en imagerie clinique, et peuvent potentiellement être détectés par trois modalités d’imagerie complémentaires : l’IRM à effets T₁ et paraCEST, et l’imagerie optique. Notre équipe travaille à la conception d’une plateforme modulable permettant de détecter une grande variété d’enzymes. Elle est constituée d’un « déclencheur » qui peut être activé par une enzyme ciblée, relié par l’intermédiaire d’un bras « auto-immolable » à un « rapporteur » assurant la détection de la sonde. Ce dernier se compose d’un chélate de lanthanide qui confère à la sonde des propriétés magnétiques détectables par IRM à effets T₁ et paraCEST. Par ailleurs, une antenne de type pyridine assure l’excitation du lanthanide conduisant à sa luminescence, qui peut être détectée par imagerie optique. L’activation enzymatique de l’agent de contraste conduit à la dégradation du bras « auto-immolable », qui s’accompagne d’une modification détectable des propriétés magnétiques et optiques du rapporteur ainsi libéré. Une plateforme de ce type a été conçue lors de travaux précédents ce projet de thèse pour la détection de l’activité de la β-galactosidase. Cependant le processus de dégradation du bras « auto-immolable » déclenché par l’activité de l’enzyme ne permet pas de libérer le rapporteur sous forme activée. En effet, la cascade électronique à l’origine de ce processus est considérablement ralentie par la coordination du bras « auto-immolable » au lanthanide. Aussi, l’objectif de ce projet de thèse consiste à modifier la structure de ces agents de contraste afin de lever ce blocage cinétique, tout en conservant une détectabilité par les trois modalités d’imagerie citées précédemment.Pour ce faire, six nouveaux analogues ont été synthétisés sous forme de modèles de sondes dénués de leur partie déclencheur, afin de s’assurer de la conservation de leurs propriétés magnétiques et optiques tout en s’affranchissant des difficultés synthétiques liées à la présence de celui-ci. A l’issue de la caractérisation physicochimique de ces derniers, deux structures ont été retenues pour la conception de sondes activables par la β-galactosidase. Une première permettant la détection trimodale de l’activation enzymatique, et une seconde dont la détection par IRM à effets T₁ et paraCEST est pH-dépendante. Enfin, à l’issue de leur synthèse, des tests enzymatiques nous ont permis de suivre les cinétiques d’activation des agents de contrastes obtenus par les modalités d’imagerie prévues pour ces composés. / Medical imaging has allowed Mankind to reach a good knowledge in human anatomy, body operation and to diagnose pathologies earlier and earlier, through minimally invasive techniques. Molecular imaging at the heart of this science enables the sight of biological processes standing in the operation of life for both exploratory, diagnostic, therapeutic and even theranostic means. As a wide part of metabolism is provided by enzymatic activity, its imbalance can mean pathological context. Thus, monitoring enzymatic activity through molecular imaging could become a new power weapon in medical arsenal. Among best adapted imaging techniques to this stake, Magnetic Resonance Imaging (MRI) permits to picture tissues and organs non-invasively, widely through contrast agent prescription. These molecules designed to sharpen acquired images quality can also be used for reaction with biological targets of interest, especially enzymes, thus binding those pictures with biological and physiological data. In the many pharmacological tools associated with MRI, lanthanides complexes have already proven efficiency in clinical imaging, and are likely to be detected through three complementary imaging modalities: T₁-MRI, paraCEST-MRI and optical imaging.Our team achieves the design of a tunable platform that can detect a wide range of enzymes. It is composed of a “trigger” that can be activated by a targeted enzyme, bound through a self-immolative linker to a “reporter” moiety that enables the probe to be detected. The latter is endowed with a lanthanide chelate that gives the probe magnetic and optical properties that can be monitored by T₁-MRI or paraCEST-MRI. In addition, a pyridine antenna enables lanthanide sensitization and luminescence, that can be detected by optical imaging. Upon enzymatic activation, self-immolation of the linker causes the release of the reporter moiety, and the modification of its magnetic and optical properties.Previous work in our team has achieved the synthesis of a probe following these concepts and aiming at β-galactosidase activity detection. However, enzyme-triggered self-immolation of the probe did not release the activated reporter moiety, due to the linker’s coordination to the lanthanide. This PhD project is thus intended to modify the chemical structure of this platform to enhance its activation kinetics, while keeping it detectable by MRI and optical imaging. To reach this goal, six novel analogues have been synthetized as models without trigger moiety to check the preservation of magnetic and optical properties while making synthesis easier and faster. Following probes’ magnetic and optical characterization, two structures were selected for the design of a probe aiming at β-galactosidase activity detection. The first one could enable trimodal detection of its activity, and the second one showed pH-dependency of T₁ and paraCEST effects. After synthesis, enzymatic tests allowed us to monitor enzyme activation kinetics for both probes by the previously scheduled imaging modalities.

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Cette thèse traite de la conception et mise en œuvre d’espaceurs auto-effondrables novateurs pour une utilisation dans des sondes d’activité enzymatique in vivo.La première partie détaille la synthèse et la validation in vitro d’espaceurs cyclisant, couplant l’activité d’un aminopeptidase à la libération d’un phénol. Les sondes fluorogènes modulaires basées sur ces espaceurs 1,2-diamine sont très robustes (demi-vie > 560 h), mais sont rapidement enzymatiquement hydrolysées, et puis relâchent rapidement (demi-temps ~ 3 min) un fluorophore ESIPT insoluble et exceptionnellement photostable.Ces sondes ont une excellente sensibilité (rapport signal:contrôle > 3000:1), et fournissent la première démonstration d’un système macroscopiquement binaire éteint–ALLUMÉ, pour la libération de phénols sous activité d’aminopeptidases. Ce système pourrait permettre de faire de l’imagerie moléculaire ultra-sensible d’une gamme d’exopeptidases. Ces espaceurs pourraient également servir dans des sondes comportant d’autres fluorophores phénoliques, dans des promédicaments de phénols/alcools activés par des peptidases spécifiques (thérapies ciblées), ou comme adaptateurs chimiques en générale.La deuxième partie détaille les synthèses de deux familles d’espaceurs tautomérisant/éliminant pour utilisation dans des sondes magnétogènes d’activité de glycosidases. Les premières architectures substrat-espaceur basées sur des 2-furanols et des carbimidates cycliques ont été explorées. Notamment, des glycosides 2-furanoliques ont été abordés comme espaceurs énergétiques alternatifs aux quinone méthydes, et des carbimidates ont été explorés comme espaceurs pour ligands modèles des sondes promagnétiques. / This thesis concerns the design and implementation of novel auto-immolative spacers for use in probes for enzymatic activity in vivo.The first part relates the development and in vitro validation of cyclisation spacers which couple the action of an aminopeptidase to the release of a phenol. The modular three-component fluorogenic probes based on these 1,2-diamine spacers are very robust (halflife > 560 h), but are also rapidly enzymatically processed, and quickly (halftime ~3 min) release an exceptionally photostable, insoluble ESIPT fluorophore. The probes have excellent detection sensitivity relative to current methods (signal to control ratio > 3000:1), and provide the first demonstration of a macroscopically binary off–ON system for phenol-releasing probes of aminopeptidase activity. The probe system may allow the exceptionally sensitive, ESIPT-based molecular imaging of a range of exopeptidases. The spacers may also be applied in off ON peptidase probes of other phenolic fluorophores, to peptidase-specific phenol/alcohol prodrugs for targeted therapy, or more generally in chemical adapter technologies.In the second part, two novel families of auto-immolative elimination/tautomerisation spacers were designed for use in three-component off ON magnetogenic probes sensing glycosidase activity. The first known substrate-spacer designs based on 2-hydroxyfurans and on carbimidates were explored. Notably, 2 furanol glycosides were synthesised in pursuit of high-energy alternatives to quinone methides, and a general method for preparing model carbimidate-bearing ligands for pro-magnetic probes was elaborated.

Cette thèse traite de la conception de sondes fluorogènes incorporant des bras espaceurs auto-effondrables répondant à l’activité enzymatique.Ces travaux commencent par la synthèse d’une sonde modèle à trois composantes pour détecter l’activité de la Leucine AminoPeptidase (LAP). Le cœur de cette sonde est un espaceur cyclisant efficace (t1/2 cyclisation≈7sec) qui unit un substrat enzymatique à un fluorophore précipitant avec une stabilité exemplaire (pas de dégradation sur 15h d’incubation). Appliquée sur des cellules vivantes, cette sonde produit des précipités fluorescents qui marquent durablement les cellules. L’élaboration de sondes pour d’autres enzymes a cependant soulevé l’importance d’abaisser le seuil de solubilité du fluorophore.Cette thèse se penche également sur deux nouvelles conceptions de sondes à la spécificité améliorée. Alors que la première tente de réutiliser les efforts déployés pour obtenir des inhibiteurs hautement sélectifs, la seconde est basée sur deux transformations successives par deux enzymes indépendantes. Si la première solution a échoué jusqu’alors, la seconde nous a effectivement permis de différencier des populations cellulaires.Enfin, ce manuscrit détaille le développement d’une nouvelle génération d’espaceur permettant l’affinement de certaines propriétés des sondes. Focalisés sur l’amélioration de l’hydrosolubilité, les premiers exemples sont très prometteurs. Particulièrement, une sonde pour Péncilline G Amidase possède une hydrosolubilité 3500 fois supérieure à celle de son analogue commercial. Véritables multiprises chimiques, ces espaceurs devraient permettent de relever certains des grands défis de la chimie médicinale moderne. / This thesis concerns the design and evaluation of fluorogenic molecular probes that respond to enzyme activity via the help of self-immolative spacers.This work starts with the synthesis of a model three-component probe that detects the activity of Leucine AminoPeptidase (LAP). The heart of this probe is an efficient cyclizing spacer (t1/2 cyclization≈7sec) that links a specific enzyme substrate to a precipitating fluorophore with an exemplary stability (no false positive signal over 15h incubation). When incubated with live cells, this construct is processed by active LAP to yield fluorescent precipitates which lead to long-term cell-tagging. However, probes susceptible to other enzyme activity have indicated the interest in further reduction of the solubility threshold of ELF®97.This manuscript also describes two new strategies to improve the specificity of the probes. While the first tries to take advantage of the efforts made to develop highly selective inhibitors, the second is based on two consecutive transformations by two independent enzymes. The first strategy has not yet been successfully applied in our hands, but the second has led to a first prototype that allowed discriminating between different cell lines.Lastly, this thesis relates the design and synthesis of a new generation of cyclizing spacer which opens up a great number of possibilities to optimize probes’ properties. For example, a probe targeting Pencilline G Amidase and containing such a spacer possesses a hydrosolubility 3500 times higher than its commercial analogue. As true “molecular hubs”, these spacers may turn out to address the big challenges of modern imaging agent and prodrug development.

Les ARNs sont impliqués dans de nombreux processus biologiques et peuvent adopter des structures secondaires différentes. Par leurs propriétés, ils constituent des outils biologiques puissants pour des applications diverses, tels les ARNs interférents (siARN) qui permettent l’extinction de l’expression des gènes par exemple. L’introduction de modifications sur des ARNs s’est avérée essentielle pour améliorer leurs propriétés et faciliter l’étude de leurs rôles biologiques et leurs applications thérapeutiques.Ce manuscrit rapporte la synthèse et les propriétés d’ARNs modifiés en position 2’ du ribose par des groupements contenant des ponts disulfures, sensibles à un environnement réducteur.Dans la première partie, la synthèse de prodrogues de siARNs partiellement modifiés par des groupements benzyldithiométhyles est décrite. Leurs stabilités thermiques et enzymatiques, ainsi que leur démasquage en milieu réducteur, sont montrés. Les résultats prometteurs d’activité inhibitrice et de pénétration cellulaire, sur une lignée cellulaire du sarcome d’Ewing, permettent d'envisager une application potentielle de ces siARNs modifiés comme outils thérapeutiques.La deuxième partie décrit une approche de co-délivrance par des siARNs couplés avec une drogue anticancéreuse, la doxorubicine, via un lien auto-immolable contenant des ponts disulfures. Les propriétés physico-chimiques des conjugués sont déterminées, et la libération du siARN et de la drogue en milieu réducteur est mise en évidence.La troisième partie présente une autre méthode de conjugaison en solution entre la position 2’ d’un ARN et des petites molécules (sucres, coumarine, biotine, acide désoxycholique, glutathion) via un pont disulfure. La synthèse des ARNs conjugués et leur devenir en milieu réducteur sont décrits.Dans la dernière partie, l’impact d’un lien avec un pont disulfure intrabrin entre les positions 2’ de deux nucléotides adjacents est étudié dans un duplex ou la partie boucle d’hairpins. L’influence du pont disulfure sur l’équilibre des conformations duplex et hairpin d’un ARN d’intérêt biologique est évaluée, en absence et en présence d’agents réducteurs. Une application en fluorescence d’une hairpin contrainte en tant que « molecular beacon » montre des utilisations potentielles de ce lien dans des outils pour étudier la conformation de structures secondaires d’ARNs ou dans des sondes pour détecter les agents réducteurs. / RNAs are involved in numerous biological processes and can adopt different secondary structures. Thanks to their properties, they are powerful biological tools for diverse applications, such as small interfering RNA (siRNA) for gene silencing. Modified RNAs have proven to be essential to improve their properties, and to facilitate the study of their biological and therapeutic functions.This manuscript reports the synthesis and properties of 2’-O-modified RNAs bearing disulfide-containing groups, sensitive to reductive environment.The first part describes the synthesis of siRNAs prodrugs bearing lipophilic benzyldithiomethyl groups. The thermal stability, the serum stability and the response to glutathione treatment of modified siRNAs are thoroughly investigated. The gene silencing and the gymnotic delivery of several siRNAs are assessed, and demonstrates promising results on Ewing’s sarcoma cell line.A second part concerns the co-delivery of siRNAs and a hydrophobic anti-cancer drug (doxorubicin) using a self-immolative spacer bearing disulfide bonds. The chemico-physical properties of these conjugates are determined and the recovery of native siRNA and doxorubicin in response to reductive treatment is highlighted.A third part presents the conjugation of RNAs to small molecules (sugars, coumarin, biotin, deoxycholic acid, glutathione) using disulfide linkages. The synthesis of the RNA conjugates and their release in reducing conditions are also demonstrated.The last part reports the synthesis and the impact of an intrastrand dimethylene disulfide bridge between 2’-O-positions of two adjacent nucleotides in an RNA duplex and in the loop of RNA hairpins. Then, the influence of this linkage on the folding of a biologically relevant RNA structure is reported. Finally, an application of a constrained hairpin as a fluorescent molecular beacon highlights its potential use in tools for understanding RNA folding and in probes for the detection of reducing reagents