Parmi les nanoparticules aptes à accompagner la radiothérapie en clinique, les nanoparticules à base d'oxyde de gadolinium paraissent pertinentes, de part leur multimodalité en imagerie et leur effet radiosensibilisant prouvé in vitro et in vivo. Cet effet de radiosensibilisation est exceptionnel notamment sur des cellules cancéreuses radiorésistantes de la lignée SQ20B (carcinome squameux tête et cou) et uniquement pour des doses modérées de nanoparticules (aux alentours de 0.6 mM en Gd). Les clichés de microscopie électronique ont montré que ce maximum de radiosensibilisation est dû à une internalisation maximale des particules dans le cytoplasme, notamment par macropinocytose. Ce mécanisme d'internalisation est caractérisé par la formation de vésicules de grandes tailles, ou macropinosomes. Il se produit suivant deux étapes : la formation d'agglomérats de nanoparticules à proximité de la membrane cellulaire puis la récupération de ceux-ci par les lamellipodes de la cellule. La première étape est fortement dépendante des caractéristiques physicochimiques des particules, plus particulièrement leur potentiel zêta qui détermine la taille de l'agglomérat, et de la distance les séparant de la cellule. Dans des gammes de taille et de distance à la membrane optimales aux concentrations modérées, l'agglomérat peut être récupéré par les lamellipodes de la cellule. Il s'en suit une protubérance sur la membrane plasmique formant un macropinosome contenant les agglomérats de nanoparticules. Cet endosome précoce suivra ensuite le schéma d'endocytose classique dans le cytoplasme en fusionnant avec des corps multivésiculaires, uniquement visible en microscopie électronique à transmission, pouvant contenir des enzymes de dégradation détruisant leur contenu. Ces enzymes rendent le pH acide à l'intérieur de la vésicule. Plus les nanoparticules sont proches du noyau cellulaire plus leur effet radiosensibilisant sera efficace. Les espèces oxygénées réactives (ROS) et les électrons Auger et secondaires peuvent atteindre l'ADN du noyau plus facilement. A faibles doses (<0.4 mM) très peu de nanoparticules sont internalisées et un effet linéaire de la radiosensibilisation est observé jusqu'à 0.6 mM. A fortes doses (> 0.7 mM) les nanoparticules forment une couronne autour de la membrane cellulaire agissant comme écran, empêchant ainsi les ROS et les électrons générés de pouvoir atteindre l'ADN et induire des cassures, le noyau étant situé à quelques micromètres de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur la nécessité de contrôler l'internalisation cellulaire des nanoparticules en contrôlant leur chimie, laissant envisager ainsi des opportunités prometteuses dans le domaine de la radiothérapie assistée par nanoparticules délivrant de faibles doses de radiation aux patients.

Parmi les nanoparticules aptes à accompagner la radiothérapie en clinique, les nanoparticules à base d’oxyde de gadolinium paraissent pertinentes, de part leur multimodalité en imagerie et leur effet radiosensibilisant prouvé in vitro et in vivo. Cet effet de radiosensibilisation est exceptionnel notamment sur des cellules cancéreuses radiorésistantes de la lignée SQ20B (carcinome squameux tête et cou) et uniquement pour des doses modérées de nanoparticules (aux alentours de 0.6 mM en Gd). Les clichés de microscopie électronique ont montré que ce maximum de radiosensibilisation est dû à une internalisation maximale des particules dans le cytoplasme, notamment par macropinocytose. Ce mécanisme d’internalisation est caractérisé par la formation de vésicules de grandes tailles, ou macropinosomes. Il se produit suivant deux étapes : la formation d’agglomérats de nanoparticules à proximité de la membrane cellulaire puis la récupération de ceux-ci par les lamellipodes de la cellule. La première étape est fortement dépendante des caractéristiques physicochimiques des particules, plus particulièrement leur potentiel zêta qui détermine la taille de l’agglomérat, et de la distance les séparant de la cellule. Dans des gammes de taille et de distance à la membrane optimales aux concentrations modérées, l’agglomérat peut être récupéré par les lamellipodes de la cellule. Il s’en suit une protubérance sur la membrane plasmique formant un macropinosome contenant les agglomérats de nanoparticules. Cet endosome précoce suivra ensuite le schéma d’endocytose classique dans le cytoplasme en fusionnant avec des corps multivésiculaires, uniquement visible en microscopie électronique à transmission, pouvant contenir des enzymes de dégradation détruisant leur contenu. Ces enzymes rendent le pH acide à l’intérieur de la vésicule. Plus les nanoparticules sont proches du noyau cellulaire plus leur effet radiosensibilisant sera efficace. Les espèces oxygénées réactives (ROS) et les électrons Auger et secondaires peuvent atteindre l’ADN du noyau plus facilement. A faibles doses (<0.4 mM) très peu de nanoparticules sont internalisées et un effet linéaire de la radiosensibilisation est observé jusqu'à 0.6 mM. A fortes doses (> 0.7 mM) les nanoparticules forment une couronne autour de la membrane cellulaire agissant comme écran, empêchant ainsi les ROS et les électrons générés de pouvoir atteindre l’ADN et induire des cassures, le noyau étant situé à quelques micromètres de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur la nécessité de contrôler l'internalisation cellulaire des nanoparticules en contrôlant leur chimie, laissant envisager ainsi des opportunités prometteuses dans le domaine de la radiothérapie assistée par nanoparticules délivrant de faibles doses de radiation aux patients. / Over the last few decades, nanoparticles have been studied in theranostic field with the objective of exhibiting a long circulation time through the body coupled to major accumulation in tumor tissues, rapid elimination, therapeutic potential and contrast properties. In this context, we developed sub-5 nm gadolinium-based nanoparticles that possess in vitro efficient radiosensitizing effects at moderate concentration when incubated with head and neck squamous cell carcinoma cells (SQ20B). Two main cellular internalization mechanisms were evidenced and quantified: passive diffusion and macro- pinocytosis. Whereas the amount of particles internalized by passive diffusion is not sufficient to induce in vitro a significant radiosensitizing effect, the cellular uptake by macropinocytosis leads to a successful radiotherapy in a limited range of particles incubation concentration. Macropinocytosis processes in two steps: formation of agglomerates at vicinity of the cell followed by their collect via the lamellipodia (i.e. the “arms”) of the cell. The first step is strongly dependent on the physicochemical characteristics of the particles, especially their zeta potential that determines the size of the agglomerates and their distance from the cell. These results should permit to control the quantity of particles internalized in the cell cytoplasm, promising ambitious opportunities towards a particle-assisted radiotherapy using lower radiation doses.

L'un des principaux défis de la nanomédecine est la capacité à cibler sélectivement les sites pathologiques. Le ciblage repose généralement sur la réponse sélective à une ou certaines caractéristiques des tissus ciblés (stimuli endogènes). Cette thèse s’intéresse à l’étude de la réponse sélective des nanoparticules fonctionnelles à deux stimuli endogènes bien caractérisés : la densité surfacique élevée d’un récepteur biologique sur une membrane cellulaire et le milieu acide des endosomes. Dans un premier temps, nous démontrons que les nanoparticules peuvent s’adsorber sélectivement sur les surfaces présentant une densité de récepteurs supérieure à un certain seuil, en fonctionnalisant leur surface avec une monocouche de polymères bimodaux (un poly (éthylène glycol) non-fonctionnel et un PEG portant un ligand). Les paramètres de conception de la monocouche comme la longueur relative des chaînes, la densité surfacique globale de la monocouche ou la densité surfacique de ligands peuvent être modulées pour améliorer la sélectivité des nanoparticules. Dans un second temps, nous rapportons des nanoparticules lipidiques capables de déstabiliser des membranes lipidiques à pH acide grâce à un lipide bascule pH-sensible. Nous montrons que le changement de conformation du lipide bascule augmente son aire interfaciale et provoque une dynamique membranaire qui peut se traduire macroscopiquement par des changements morphologiques et relargage du contenu des nanoparticules lipidiques. En améliorant le ciblage sélectif pour les membranes cellulaires, d’une part, et la livraison intracellulaire, d’autre part, ce travail servira à concevoir des nanoparticules multifonctionnelles sélectives et ciblées, pour une meilleure efficacité de vectorisation de médicaments ou d’acides nucléiques. / One of the main challenges of nanomedicine is the ability to selectively target disease sites. Targeting efficiency is generally based on a selective response to characteristics (endogenous stimuli) of the targeted tissues. This thesis focuses on the selective response of functional nanoparticles to two endogenous stimuli: the cell surface over-expressing a specific receptor and the acid medium of endosome. First, we report that nanoparticles surface-functionalized with a bimodal monolayer of polymers containing nonfunctional polyethylene glycol (1) and ligand-functionalized PEG exhibit selective adsorption to receptor surface with a surface density of receptor above a certain threshold. We show that design parameters of the bimodal monolayer, including the relative length of two chains, the total surface density of the monolayer or the surface density of ligand can be modulated to enhance the selectivity of the nanoparticle adsorption. Secondly, we report lipid nanoparticles that induce membrane destabilization under acidic condition thanks to a pH-switchable lipid. We show that the conformational change of the pH-switchable lipid increases the area occupied at the interface, causing membrane dynamics phenomena, that result in morphological changes and release of the cargo from lipid nanoparticles. By improving the ability of nanoparticles to selectively target cell surfaces and escape endosomal membrane, the selective responses of functional nanoparticles reported in this thesis will potentially serve to design multifunctional nanoparticles for selective targeting and efficient delivery of drugs and genetic materials.