De par le monde, les virus, les bactéries pathogènes et les parasites ont causé plus de 21 millions de décès en 2010 [1, 2]. La détection dés agents pathogènes plus tôt dans le traitement antimicrobien permettrait de diminuer le nombre de victimes et réduirait le développement de résistance antibiotique [3]. Cependant, les techniques de biodétection nécessitent souvent quelques jours de délai dus à l'étape de culture microbienne. Pour éliminer cette étape, notre groupe de recherche développe une technique de biodétection optique très sensible basée sur les modes de galerie de microsphères fluorescentes. Bien que cette technique ait montré des résultats prometteurs, elle n'est toutefois pas prête à être intégrée en milieu clinique, puisque certaines étapes sont longues et expérimentalement non triviales. Dans nos travaux de recherche, les étapes de préparation des échantillons, de prise de mesures et de traitement de signal de la technique de biodétection WGMs en fluorescence ont. été réformées afin de simplifier et d'accélérer les manipulations. En premier lieu, les microsphères fluorescentes ont été étudiées afin de choisir un diamètre nominal et une plage spectrale offrant un maximum de WGMs selon la longueur d'onde d'excitation utilisée au laboratoire. Ensuite, l'intégration de la chambre d'écoulement d'un cytomètre en flux commercial et d'un système de déclenchement synchronisé au montage ont permis d'automatiser et d'accélérer considérablement l'étape de prise de mesures. De plus, l'optimisation de l'étape de traitement de signal a permis de générer des spectres théoriques très représentatifs des spectres de fluorescence de microsphères plus grandes que 6250 nm de rayon. Finalement, une nouvelle version de l'algorithme de mesure instantanée d'indice de réfraction apparent (IMARI 2.0) a été validée puis appliquée à la reconnaissance du rayon et de l'indice de réfraction apparent pour des microsphères de 6500 nm émettant de 580 nm à 650 nm.

Une des difficultés rencontrées lors de l'administration d'agents thérapeutiques au sein du parenchyme cérébral peut être résolue par l'utilisation de nouvelles formes galéniques implantables. Nous montrons dans ce travail la biocompatibilité dans le cerveau de rat des microsphères synthétisées par Biocompatibles facilement injectées par stéréotaxie et chargées en doxorubicine (1mg/ml) (CM-BC1) ou en irinotécan (100mg/ml) (CM-BC2). Nous avons ensuite rapporté l'efficacité des CM-BC2 sur le gliome 9L du rat avec une amélioration significative de la survie par rapport aux groupes non traité ou traité par microsphères blanches. La combinaison des traitements n'améliore pas significativement la survie par rapport à la radiothérapie seule. La récente expansion des nanotechnologies associée aux progrès des méthodes mini-invasives d'administration intracérébrale de médicaments offre l'opportunité d'améliorer ces résultats. Nous avons étudié, toujours sur lemodèle 9L, l'effet radiosensibilisant du paclitaxel, injecté en intratumoral par Convection-Enhanced Delivery (CED) et vectorisé par des nanocapsules lipidiques (LNC) développées par le laboratoire. Une tendance à l'augmentation se profile en faveur des LNC de paclitaxel qui permettent l'obtention de la meilleure médiane de survie (+10 jours par rapport au groupe irradié seul). Bien que les résultats soient non significatifs, l'association d'une chimiothérapie locale à la radiothérapie est intéressante. Il reste maintenant à optimiser les connaissances sur ce vecteur avec notamment possibilité d'adressage subcellulaire et amélioration de la cinétique de libération du principe actif.

Contexte : La transmission du paludisme à Plasmodium falciparum repose sur le développement intra-érythrocytaire de parasites sexués (les gamétocytes) et leur ingestion par un moustique vecteur. Par filtration au travers d’une matrice de microsphères (microsphiltration), nous avons montré que les gamétocytes matures -normalement présents dans la circulation des sujets transmetteurs- sont déformables. Leur capacité à se déformer pour traverser la rate est essentielle à leur présence en circulation. Objectifs : Ce projet vise à découvrir des composés rigidifiant les érythrocytes contenant des gamétocytes pour bloquer la transmission du paludisme. En quelques heures, les gamétocytes rigidifiés seront exclus de la circulation sanguine -donc du cycle de transmission- par la rate. Méthodes et résultats: La microsphiltration a été miniaturisée au format microplaque et couplée à la microscopie à haut débit pour quantifier le nombre de gamétocytes retenus par les filtres. En utilisant la calyculine comme contrôle, l’activité rigidifiante d’antipaludiques de référence a été évaluée par microsphiltration. Les gamétocytes rigidifiés par la calyculine ont également été piégés dans des puces microfluidiques spléno-mimétiques. Leur clairance mécanique splénique a été confirmée dans un modèle murin adapté à la circulation transitoire des globules rouges humains parasités ou non. Conclusions: Un criblage par microsphiltration permet de sélectionner des molécules induisant la rétention mécanique splénique des gamétocytes pour bloquer la transmission du paludisme. Un post-criblage in vitro-in vivo permet de valider l’activité rigidifiante des actifs découverts par microsphiltration. / Background: Human-to-human transmission of Plasmodium falciparum malaria requires the development, within red blood cells (RBC), of sexual parasites termed gametocytes and their ingestion by Anopheles mosquito vector during a blood meal. Using filtration of RBC through microsphere layers (microsphiltration), we had shown that mature gametocytes present in the circulation of infective individuals are deformable. This deformability is a prerequisite for gametocytes circulation as they have (as any other uninfected RBC) to repeatedly cross narrow interendothelial slits in the human spleen. Objectives : This project aims at discovering compounds stiffening RBC harboring mature gametocytes, inducing their mechanical retention into the spleen, thereby removing them from the human bloodstream and interrupting malaria transmission. Methods & Results: Microsphiltration has been miniaturized to the microplate format, then coupled to high content imaging to quantify gametocyte retention in microsphere filters. Using calyculin as positive control, the gametocyte-stiffening activity of a panel of reference antimalarials was evaluated with the microsphiltration assay. Calyculin-stiffened mature gametocytes were held into spleno-mimetic microfluidic chips and were cleared from the circulation of macrophage depleted mice as rapidly as heat-stiffened control RBC, validating the outcomes of the microsphiltration assay. Conclusions: We have developped a microsphiltration assay compatible with screening. The screening/post-screening cascade has the potential to yield potent pharmacological agents blocking malaria transmission based on gametocytes deformability.

Les méthodes actuelles pour détecter et identifier des microorganismes dans un échantillon sont lentes et complexes. Les techniques d'identification bactérienne, par exemple, nécessitent généralement une étape de culture bactérienne, introduisant des délais pouvant dépasser les 48 heures. Dans plusieurs domaines, telles la recherche arctique, la santé et l'industrie agroalimentaire, la lenteur des analyses bactériologiques peut avoir de lourdes conséquences humaines ou financières. Il existe donc un réel intérêt pour la conception de capteurs sensibles permettant d'outrepasser l'étape de culture bactérienne. Par le passé, notre groupe de recherche a développé une technique de biodétection basée sur les modes de galerie de multiples microsphères fluorescentes en suspension libre dans un échantillon. La sensibilité et la robustesse de cette approche permettent d'envisager son intégration dans un biocapteur rapide et portatif. Cependant, la technologie n'est pas assez mature sous sa forme actuelle pour permettre cette intégration. L'objectif de nos travaux de recherche était donc d'intégrer notre technologie dans un système de laboratoire efficace. Pour ce faire, une nouvelle instrumentation optofluidique est proposée. Cette dernière joint un microscope à fluorescence et un système microfluidique conçu pour mélanger une solution de microsphères avec un échantillon contenant des bactéries. Le mélange est réalisé par un micromélangeur utilisant des rainures dont l'orientation et la position sont optimisées pour favoriser la dispersion de particules solides en suspension dans un fluide. Différentes méthodes d'apprentissage machine servant à analyser les modes de galerie de microsphères fluorescentes sont également décrites. En termes de rapidité, ces dernières surpassent de loin l'algorithme IMARI originellement proposé par notre groupe. Au final, l'instrumentation optofluidique et les méthodes d'analyses présentées dans ce mémoire ont permis de détecter la présence de deux types de picocyanobactéries nordiques. Les avancées réalisées pendant la maîtrise confirment donc le potentiel de notre approche et son intégration éventuelle dans un capteur portatif. / The detection and the identification of microorganisms in a liquid sample is, more often than not, a slow and complex process. The current bacterial identification methodologies, for instance, typically require bacterial growth on culture media, a step which introduces delays of 48 hours or more. In fields such as arctic research, healthcare or food production, these delays can beget serious human and financial consequences. Thus, there is a growing interest for sensitive biosensors capable of bypassing the bacterial growth step. Our research group as previously presented a biodetection scheme based on the analysis of the whispering gallery modes of multiple fluorescent microspheres free-floating in the solution under test. The sensitivity and the robustness of this approach promote its eventual use in a fast and portable biosensing device. However, under its current form, our technology still lacks the appropiate maturity to be integrated in such a device. The research presented in this thesis thus aimed at integrating our technology in an effective laboratory system. To that end, an improved optofluidic instrumentation is proposed. It joins a fluorescent microscope to a microfluidic chip capabe of mixing a solution of microspheres with a sample containing bacteria. The mixing if achived via a staggered herringbone mixer with a groove orientation optimized to promote the dispersion of solide microparticles in suspension. Several machine learning algorithms are also proposed to analyse the whispering gallery modes of our free-floating fluorescent microspheres. In terms of analysis speed, these methods outperform, by a great margin, the IMARI algorithm previously proposed by our group. In the end, the proposed instrumentation and algorithms were used to sucessfully detect the presence of two types of arctic picocyanobacteria. The contributions presented in this thesis thus confirm the potential of our biodetection scheme and further pave the way towards portable biosensors.

L'utilisation du méthacrylate de 2-isocyanatoéthyle (IEM), dérivé commercial, a permis le développement de trois architectures polymères fonctionnalisées par un isocyanate bloqué. Un hydrogel fonctionnalisé par des groupements -NH-C(=O)-SO3- a été synthétisé à partir de l'IEM et du métabisulfite de potassium. Cet hydrogel présente un dégré de fonctionnalisation important, un bon comportement au stockage sous voie sèche ainsi qu'une très bonne capacité au gonflement dans l'eau. Le recours à un agent de blocage alternatif a permis la protection de l'IEM et l'obtention d'un monomère hydrosoluble qui a été polymérisé par voie radicalaire dans l'eau. La réactivité de ce polymère vis-à-vis d'amines aliphatiques dans l'eau a été démontrée. Enfin, le blocage de l'IEM par le phénol ou l'acétone oxime a permis l'obtention de microsphères à base de divinylbenzène, fonctionnalisées par un isocyanate bloqué.

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

Le travail de recherche mené au cours de cette thèse a été effectué dans le cadre d’une collaboration industrielle et a porté sur la technologie de prilling et le développement de microparticules lipidiques par cette technique originale. La première partie de ce travail a consisté à sélectionner des excipients lipidiques puis à étudier leurs comportements lors des deux grandes étapes du procédé : la formation de la goutte par rupture vibrante et la cristallisation par refroidissement brutal dans la tour de prilling. Ces études ont permis de mettre en évidence des paramètres clés pour la réussite du procédé et donc pour la qualité du produit fini : la viscosité et les propriétés thermiques et structurales des lipides. Ces paramètres devront donc faire l’objet d’une étude systématique avant d’envisager leur application à la technologie de prilling. La seconde partie de ce travail concerne la formulation de trois molécules actives par prilling : le Kétoprofène, la Dronédarone et la Fexofénadine. Ces trois exemples ont permis d’illustrer différents modes d’incorporation du principe actif dans le procédé et leurs problématiques associées : la fusion, la solubilisation ou la mise en suspension d’un principe actif dans les excipients fondus. / This work was conducted within the framework of an industrial collaboration and focused on the prilling technology and the development of lipid microparticles by this original technique.The first part of this work was to select lipid excipients and to study their behavior in the two main steps of the process: the droplet’s formation by vibrating nozzle and the droplet’s crystallization by quenching in the prilling tower. These studies highlight the critical key parameters involves in the success of the process and therefore the quality of the final product: viscosity and thermal and structural properties of lipids. These parameters should be therefore systematically studied before considering their application to technology prilling.The second part of this work concerns the formulation of three active molecules by prilling: Ketoprofen, Dronedarone and Fexofenadine. These three examples were used to illustrate different ways of incorporating the active ingredient in the process and their associated problems: the melting, the solubilisation and the suspension of active molecules in melted lipids.

La radiothérapie interne sélective (RTIS), en plein développement ces dernières années, constitue une alternative thérapeutique pour les cancers primaires et secondaires inopérables du foie. Le principe repose sur l’administration intra-artérielle de microsphères chargées d’yttrium-90 avec pour objectif la destruction des cellules tumorales par l’irradiation.L’activité d’yttrium-90 à administrer au patient est actuellement généralement prescrite à partir d’approches semi-empiriques ou peu personnalisées, faciles à mettre en place cliniquement. De nouveaux outils sont aujourd'hui disponibles semblables à ceux utilisés en radiothérapie externe. Leur utilisation encore peu répandue nécessite un retour d'expérience clinique pour mettre en avant leurs bénéfices et guider l'application clinique. Par ailleurs, le traitement RTIS est précédé d'une étape de simulation. Des différences inhérentes à cette procédure en deux temps (type de particules utilisées, modalité d’imagerie, modifications de flux vasculaires, etc.) existent et pourraient potentiellement conduire à des écarts dosimétriques entre la planification et le traitement. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet de cette thèse qui porte sur l'optimisation de la dosimétrie pour le traitement du carcinome hépatocellulaire par RTIS.Les doses délivrées au cours de 42 traitements par microsphères de résine réalisés entre 2012 et 2015 au CHU de Montpellier, ont été rétrospectivement calculées à l’échelle du voxel sur un logiciel de dosimétrie dédié (PLANET Dose, DOSIsoft, Cachan). Les doses délivrées ont été calculées pour le volume tumoral et le volume de foie sain définis anatomiquement, à partir de l’imagerie post-traitement TEP aux microsphères d’yttrium-90. Ce travail a mené à deux études complémentaires. La première analyse a consisté à confronter les données dosimétriques recueillies (doses moyennes, histogrammes dose-volume) à la réponse tumorale, la toxicité hépatique et la survie du patient. Les résultats obtenus, en accord avec ceux de la littérature, ont confirmé l’existence d’une relation dose-effet en RTIS. La deuxième étude a mis en évidence les limites du modèle BSA (body surface area pour surface corporelle) qui avait été utilisé pour planifier l’activité à administrer, à prédire la dose délivrée et par conséquent l’efficacité du traitement. L’absence de considérations dosimétriques et de prise en compte de l’hétérogénéité de distribution, de ce modèle ont notamment été discutées. Ces deux études ont ainsi souligné l'intérêt de planifier l'activité d'yttrium-90 à administrer en se basant sur des données dosimétriques individualisées.Une troisième étude a été conduite sur une population de 23 patients atteints de CHC, traités par microsphères de verre traités entre 2015 et 2018 au CHU de Montpellier. L’objectif a été de comparer les dosimétries prédictives et post-traitement calculées à l’échelle du voxel. Les résultats cliniques obtenus ont été appuyés par des expérimentations sur fantômes physiques (simple et anthropomorphique). Une bonne corrélation a été montrée, mettant en avant la valeur prédictive de la dosimétrie de planification. En revanche, un écart significatif a été observé et semble lié en partie à la quantification de l’imagerie TEP à l’yttrium-90. De plus, il a été montré que le geste radiologique peut influencer la distribution de particules et donc de dose, d’où la nécessité d’une reproductibilité aussi parfaite que possible entre les deux étapes. / Selective internal radiation therapy (SIRT) is a growing therapeutic alternative for unresectable primary and secondary liver cancer. The principle is based on the intra-arterial administration of yttrium-90 loaded microspheres for tumor cell destruction through irradiation.Yttrium-90 activity to be administered to the patient is, at the moment, usually prescribed using semi-empirical or barely personalized approaches that can be easily clinically implemented. New tools, similar to the ones used in external beam radiotherapy, are available today. These tools, which are not yet widely spread, require clinical feedback to show their benefits and guide the clinical application. Besides, a simulation stage is always performed before SIRT treatment itself. This two-step procedure implies differences (in terms of particles used, imaging modality, vascular flow modifications, etc.) that could potentially lead to dose deviations between planning and treatment. The thesis project comes within this scope, dealing with dosimetry optimization for hepatocellular carcinoma SIRT.Delivered doses during 42 treatment procedures performed between 2012 and 2015 at Montpellier University Hospital, were retrospectively calculated at the voxel level using a dosimetry dedicated software (PLANET Dose, DOSIsoft, Cachan). Two complementary studies were carried out from this work. The first one analyzed dose data (average dose, dose volume histograms) versus patient follow-up including tumor response, liver toxicity and patient survival. The results obtained are consistent with the other teams, confirming the dose-effect relationship in SIRT. The second study highlighted the limitations of the BSA (body surface area) model that was used for activity planning. In particular, the limitations of this model to predict delivered dose and consequently treatment efficiency were quantitatively demonstrated. The lack of dosimetry and heterogeneity distribution considerations were also discussed. These two studies emphasized the interest for yttrium-90 activity planning based on individualized dose data.A third study was conducted on a population of 23 patients treated between 2015 and 2018 at Montpellier University Hospital. The aim was to compare predictive and post-treatment dosimetry calculated at the voxel level. The clinical results were supported by phantom (simple and anthropomorphic) experimentations. A good correlation was observed highlighting the predictive value of dosimetry planning. However, a significant deviation was noticed and seems to be partly related to yttrium-90 TEP quantification. In addition, it was also noted that the radiological gesture can affect particle distribution and consequently dose distribution, this is why reproducibility as perfect as possible is required between the two stages.

Cette étude se concentre sur l'influence des conditions hydrodynamiques et de mélange sur les caractéristiques de microcapsules obtenues par inversion/précipitation. Ce processus est classiquement exécuté dans une cuve agitée alors qu'il a été montré que l'exécution de procédés de fabrication de produits chimiques peut être améliorée en utilisant des microtechnologies en raison du meilleur contrôle hydrodynamique et de l'intensification des échanges de chaleur et de matières. Donc, afin d'évaluer l'avantage potentiel de ces nouvelles technologies, des microcapsules de parfum enrobé dans du PMMA ont été fabriquées par inversion de phase/précipitation (système THF/Eau) dans une cuve semi-fermé agitée standard, dans un mélangeur structuré et dans un micromélangeur de type V (FZK). Les trois procédés sont évalués en terme de propriétés de capsules (la distribution de taille, l'épaisseur de membrane, l'efficacité d'encapsulation et la cinétique de libération). Il a été montré que le micromélangeur offre une vaste gamme de conditions de fonctionnement / This study focuses on the influence of the hydrodynamic and mixing conditions on the characteristics of microcapsules obtained by inversion/precipitation. This process is classically run in semi-batch stirred tank while it has been shown that the performance of chemical product manufacturing processes can be improved by using microtechnologies due to better hydrodynamic control and intensification of mass and heat exchanges. Therefore, in order to evaluate the potential benefit of these new technologies, microcapsules of perfume in PMMA have been manufactured by phase inversion/precipitation (system THF/Water) in a classical semi-batch stirred tank, in a structured mixer and in a V-Type micromixer (FZK). The three process is evaluated in term of capsules properties (size distribution, membrane thickness, encapsulation efficiency and release rate). It is shown that micromixer offers a wide range of operating conditions

Les techniques de biodétection optique qui utilisent les résonances d'une cavité à géométrie circulaire ou sphérique ont démontré une sensibilité exceptionnelle. Ces résonances à haut facteur de qualité sont connues sous le nom de modes de galerie. Toutefois, les configurations actuelles de ces biocapteurs sont difficiles à intégrer dans un dispositif simple et peu dispendieux. La stratégie de détection présentée emploie des microsphères fluorescentes comme cavité résonnante, ce qui simplifie grandement les exigences pour l'excitation de ces modes. Notre méthode d'analyse spectroscopique compare le spectre expérimental d'une microsphère fluorescente contenant des modes de galerie au spectre prédit par le modèle de Chew. Cette étape permet d'obtenir l'indice de réfraction de solutions aqueuses homogènes, contenant de l'isopropanol, l'éthanol et du methanol. Pour des concentrations inférieures à 0.3 M, les mesures sont en accord avec les techniques de réfractométrie standard à l'intérieur d'un écart-type. Dans une solution non homogène, la méthode de détection repose sur des déviations par rapport au modèle de Chew qui indiquent la présence d'analytes biologique sur la surface de la microsphère. Les concentrations limites atteintes sont de l'ordre de 10 //g/ml pour des protéines et de 6 x 106 bactéries/ml pour des bactéries de type E. coli. Finalement, la caractérisation du biocapteur avec une pince optique permet d'estimer la limite supérieure de sensibilité de la méthode aux environs de 5 E. coli par microsphère et de la mettre en contexte par rapport aux autres technologies de biodétection.