Malgré les efforts extrêmement importants réalisés pour la recherche de nouveaux agents anticancéreux, les traitements par chimiothérapie ne permettent toujours pas de traiter efficacement un grand nombre de tumeurs. En effet, les molécules utilisées cliniquement ne sont généralement pas sélectives des tissus cancéreux et la destruction des tissus sains qu'elles engendrent provoque de lourds effets secondaires. Le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques plus sélectives représente donc un intérêt majeur en chimie médicinale. Dans ce cadre, nous avons développé plusieurs vecteurs non toxiques conçus pour reconnaître des spécificités liées à la malignité puis libérer de manière contrôlée des agents cytotoxiques exclusivement au niveau de la tumeur. Dans le cadre de cette thèse, le concept de vecteur glucuronylé a été adapté à la MMAE et à la cyclopamine. Ces vecteurs pourront être sélectivement activé par la B-glucuronidase présente en concentration importante dans les zones nécrotiques de nombreuses tumeurs solides et ainsi libérer ces agents anticancéreux au niveau des tissus cancéreux. Des études préliminaires visant à évaluer l'efficacité de ces composés in-vitro et in-vivo ont montré la validité de cette approche. Dans un deuxième temps, un vecteur glucuronylé de la doxorubicine pouvant se lier à l'albumine plasmatique a été conçu. Une étude réalisée chez la souris a montré que ce composé possède une efficacité thérapeutique similaire à celle de la doxorubicine et ne provoque pas les effets secondaires constatés lors du traitement avec la drogue seule. La troisième partie est consacrée au développement du premier vecteur activable par la B-galactosidase ut / Despite several years of intensive research devoted to the discovery of novel anticancer agents, chemotherapy is still not entirely effective for the treatment of many solid tumors. Most of the drugs used clinically act by anti-proliferative mechanisms and lack any intrinsic selectivity, leading to severe adverse effects due to the destruction of normal tissues. Therefore, the development of more selective therapeutic approaches has become a major goal in medicinal chemistry. Within this framework, we have developed several nontoxic drug carriers designed for both the efficient recognition of malignant specificities and the controlled release of anti-neoplastic agents exclusively at the tumour site. First, we applied the concept of glucuronide prodrugs to MMAE and Cyclopamine in order to deliver these anticancer drugs at the tumor site. Indeed, glucuronide prodrugs can be selectively activated by B-glucuronidase present in high concentration in necrotic area of numerous solid tumors. Preliminary in vitro and in vivo evaluations of these prodrugs demonstrated the potential of this approach. Second, we studied the first B-glucuronidase-responsive albumin-binding prodrug designed for the selective delivery of doxorubicin at the tumor site. In vivo experiment conducted in mice show that this compound inhibits tumor growth in a similar manner to doxorubicin whilst avoiding side effects induced by the free drug. We also developed the first B-galactosidase-responsive drug delivery system suitable for the treatment of solid tumors in PMT. Such a targeting system can be selectively activated by lysosomal B-galactosidase located inside malignant cells expressing a specific tumor-a

Au cours des dernières années, l’imagerie médicale est devenue l’une des techniques les plus puissantes dans le domaine du diagnostic médical et des recherches biomédicales. Avec le développement de l’imagerie moléculaire, les sondes sensibles permettant l’imagerie multimodale des événements moléculaires sont alors nécessaires.Dans ce travail, nous présentons la conception et la synthèse des complexes de lanthanides dans le but de développer des agents de contraste intelligents pour la détection de l’activité enzymatique par IRM (T1/CEST) et l’imagerie optique. Les complexes conçus s’articulent autour d’un chélate de lanthanide macrocyclique joint avec une amino pyridine qui est liée à un déclencheur enzymatique sensible (e.g. galactoside) par un espaceur auto-immolatif. Celui-ci est censé modifier temporairement, en fonction de la présence d’enzyme, les propriétés magnétiques et photo-physiques du complexe. Le concept a été validé sur un composé modèle sans déclencheur. Bien qu’aucune différence de relaxation n’ait été observée entre les modèles de forme enzymatique activée et non-activée qui empêche l’utilisation de T1-IRM, des effets ParaCEST différents dépendant du lanthanide, ont été observé. En outre, un effet CEST inconnu a été affecté à la fonction carbamate. Des études photo-physiques préliminaires ont montré également des propriétés différentes des deux formes et ont confirmé le potentiel de ces complexes comme agents de contraste enzymatiques sensibles bimodals. La synthèse de la sonde enzymatique sensible a été tenté par trois voies différentes et a finalement été effectué dans un processus de treize étape qui restait à être optimisé. Une étude sur la relation ‘structure-activité’ a été lancée avec la synthèse des isomères de position sur la pyridine du composé modèle / Over the last decade, medical imaging has evolved into one of the most powerful technique in diagnostic clinical medicine and biomedical researches. With the development of molecular imaging responsive probes allowing multimodal imaging of molecular events are then required.In this work, we present the design and the synthesis of lanthanide complexes with the aim of developing smart contrast agents for the detection of enzyme activity by MRI (T1 / CEST) and Optical Imaging. The designed complexes are built around a macrocyclic lanthanide chelate appended with an amino pyridine which is linked to an enzyme-sensitive trigger (e.g. galactoside) via a self-immolative linker. The latter is supposed to modify temporarily and in an enzyme dependent way the magnetic and photo-physical properties of the complex. The concept was first validated on a model compound without trigger. Although no difference of relaxivity was observed between models of the enzyme-activated and non-activated forms precluding the use in T1-MRI, different paraCEST effects were observed and found dependent on the lanthanide. Moreover, a previously unknown CEST effect was assigned to a carbamate function. Preliminary photo-physical studies showed also a different behavior of the two forms and confirmed the potentiality of these complexes as enzyme responsive bimodal contrast agent. The synthesis of the enzyme-responsive probe has been attempted by three different pathways and was finally achieved in a thirteen-step process which remained to be optimized. A “structure activity” relationship study has been initiated with the synthesis of positional isomers on the pyridine of the model compound

Introduit originellement par Katzenellenbogen en 1980 , les espaceurs auto-immolables sont définis comme des assemblages covalents capable de corréler la coupure de deux liaisons. La première coupure intervient au niveau du groupement protecteur A, générant un intermédiaire qui conduit spontanément à la rupture de la liaison entre l’espaceur et l’espèce B (par exemple, un composé bioactif). Katzenellenbogen avança que les espaceurs auto-immolables pourraient permettre d’outrepasser les limitations des thérapies classiques (administration directe de composés bioactifs, notamment) et conduiraient à l’émergence d’une nouvelle génération de prodrogues. Ayant effectivement amené une innovation considérable dans ce domaine, ces espaceurs ont depuis trouvé nombres d’applications dans des domaines plus variés (chimie analytique, matériaux, …) ; dont nous présenterons un aperçu.Nous avons taché également de décrire plus en détail les mécanismes d’auto-immolation, conduisant l’intermédiaire à se désassembler et à libérer la molécule B. En effet, chacun de ces mécanismes confèrent des propriétés particulières à l’espaceur en termes de cinétique d’auto-immolation et de compatibilités chimiques possibles principalement. Il est donc primordial d’établir les avantages et les inconvénients de chaque type d’espaceur afin de déterminer au mieux quel genre de structure employer pour l’utilisation choisie.Notre travail a consisté dans un premier temps à compléter certaines données de la littérature afin d’approfondir notre connaissance des espaceurs auto-immolables.De plus, si ces espaceurs ont été introduits pour dépasser les limitations des stratégies préexistantes, ils ne sont pas toujours aptes à répondre à certaines problématiques particulières (sélectivité et sensibilité de leurs activations notamment) ; ce qui nous a amené à proposer une nouvelle génération d’espaceurs auto-immolables capable de mieux répondre à ces attentes.Nos travaux ont permis de comparer la cinétique d’espaceurs cyclisants et de confirmer que les espaceurs basés sur un mécanisme d’élimination avaient une gamme plus étendue d’utilisations potentielles.Après avoir établi ce constat, nous avons développé des dérivés d’espaceurs reposant sur ce principe. Pour des utilisations particulières, deux séries ont été étudiées : - Les dérivés d’aniline bi-activables : ceux-ci ne libérant le groupement partant qu’après 2 stimuli spécifiques (contre un seul jusqu’à présents, tous types d’espaceurs considérés), nous pensons que cette nouvelle classe d’espaceurs pourra constituer une réelle innovation en terme de sélectivité, étant capable de mener à la libération de la molécules d’intérêt après 2 conditions. - Un dérivé triantenné : celui-ci étant capable de libérer la molécule qu’il porte par 3 voies d’éliminations, nous avons supposé qu’il serait bien plus sensible qu’un composé ne pouvant libérer que par une voie unique. Même si le composé n’a pu être obtenu, des avancées significatives ont eu lieu quant à sa synthèse : les résultats obtenus et l’intérêt qu’ils suscitent nous ont amené à proposer d’autres stratégies de synthèse pour aboutir à la création de cet espaceur ultra-sensible. / Originally introduced by Katzenellenbogen in 1981 , self-immolative spacers are defined as covalent assemblies that are able to correlate cleavage of two chemical bonds. First, the protecting group is cleaved, generating an intermediary which spontaneously leads to the rupture of the bond between the spacer and the released molecule (bioactive compound for instance). Katzenellenbogen planned that self-immolative spacers could allow to overcome limitations of classic therapies (especially direct administration of drugs) and constitute a novel and efficient alternative to actual prodrug strategies. Effectively, spacers have opened many possibilities in this field, but also in other domains (like analytical chemistry, material sciences, …) which will be presented in this manuscript.We also took care to detail self-immolation mechanisms (the step leading to the release of the leaving group from the intermediary): indeed, the mechanism is the most important factor of the spacer, determining its properties (kinetic of the process, chemical links allowed). Therefore, it is crucial to determine advantages and drawbacks of each mechanism in order to permit a rational choice of the spacer depending on the application we choose.Our work consisted to complete known kinetic data, leading us to acquire an overview of existing spacers.Self-immolative spacers have been introduced to overcome limits of actual strategies, but they are not always able to answer particular problems (sensitivity and selectivity of their triggering events principally): this leads us to propose a new generation of spacers capable of resolving these problematics.Our researches permitted us to compare kinetic of cyclizing spacers and to confirm that elimination based spacers show a larger scope for potential uses.Starting from this, we developed two series of derivatives using this mechanism: - Bi-triggered anilines: releasing the leaving group after two specific stimuli (only one for reported spacers actually). We are convinced that this new class of spacers can constitute a real innovation for selective treatments. - Three-branched phenol: able to release the compound by three different ways of elimination. This property can increase drastically the sensitivity of the spacer for its activation pathway, considering triggers are three-time more numerous. Even if the compound has not been obtained, significant results in its synthesis have been observed: these results on this interesting project leading us to propose new synthetic strategies in order to obtain this ultra-sensitive compound.

Les systèmes moléculaires sont constitués d'unités distinctes, qui se coordonnent pour permettre l'émergence d'une propriété, ou d'un comportement complexe. Les molécules entrelacées, et notamment les rotaxanes, sont des composés particulièrement adaptés à la réalisation de tels systèmes, en raison de la liaison mécanique qui les caractérise. Grâce au développement impressionnant des stratégies de synthèse permettant d'accéder de façon efficace à diverses architectures entrelacées, de nombreux systèmes fonctionnels ont été développés, et nous nous proposons d'enrichir ce panel à travers trois exemples.Nous avons élaboré le premier rotaxane enzymo-sensible capable de libérer sélectivement un agent anticancéreux, grâce aux actions successives de deux hydrolases. L'originalité de ce système réside dans l'ouverture contrôlée du macrocycle, qui conduit au désassemblage des constituants entrelacés. Notre rotaxane enzymo-sensible est stable dans le plasma et déclenche de façon autonome l'activité du paclitaxel au sein des cellules cancéreuses.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la synthèse stéréosélective de rotaxanes présentant une chiralité mécanique et ses applications dans le cadre du contrôle du mouvement à l'échelle moléculaire.Enfin, le dernier projet concerne le développement d'un système moléculaire capable de mimer le fonctionnement d'une enzyme. Ce système doit être en mesure de fonctionner de façon catalytique au sein d'un mélange pour conduire à la formation sélective d'une molécule parmi une multitude de possibilités. / Molecular systems are composed of distinct units that coordinate to allow the emergence of a property, or a complex behavior. Within this framework, the design of functional interlocked molecules programmed to perform specific tasks in response to an external stimulus has received considerable attention. The main goal of this thesis is to enrich this field of research through the study of three novel such functional systems. First of all, we developed the first enzyme-sensitive [2]rotaxane designed to release a potent anticancer drug within tumor cells. The molecular device includes a protective ring that prevents the premature liberation of the drug in plasma. However, once located inside cancer cells the [2]rotaxane leads to the release of the drug through the controlled disassembly of the mechanically interlocked components, in response to a determined sequence of two distinct enzymatic activations.We also studied the stereoselective synthesis of chiral rotaxanes with the aim to control the direction of the motion at molecular level. These [2]rotaxanes include a thread with two identical triazole stations that can interact with an unsymmetrical fluorinated macrocycle in the presence of cupper (I). We demonstrated that the interaction of the macrocycle with one or the other of the stations lead to the synthesis of two mechanical diastereoisomers.Finally, we attempted to develop a molecular system able to mimic the operation of an enzyme in a complex mixture. This system was designed to allow the selective formation of one particular molecule among several other possibilities in a catalytic way.

L'objectif de cette thèse est la conception et le développement de bras espaceurs auto-immolables originaux situés entre le substrat peptidique et un fluorophore à phénol. Une première partie de ces travaux porte sur le développement de bras réactifs auto-immolables adaptés à la détection d'exopeptidases et à leur application pour la synthèse de sondes destinées à l'imagerie in-vivo de la caspase 3, une enzime impliquée dans le processus apoptotique. La seconde partie de ce travail relate les efforts effectués afin d'étendre l'utilisation des bras réactifs auto-immolables à la détection des endopeptidases, notamment les MMPs, une famille d'enzimes fortement impliquée dans la progression cancéreuse. / The aim of this PhD work is the design and development of novel self-immolative species linking a peptide susbstrate to a phenolic fluorophore. A first part was dedicated to the development of self-immolative linkers for exopeptidases detection and their incorporation in caspase 3 probes to stain the apoptotic process. A second part was devoted to the extension of the strategy to endopeptidases, especially MMPs, an enzyme family mainly involved in cancer progression.