Afin d'améliorer la sélectivité de la radiothérapie dans le cadre du traitement de certains cancers, nous proposons l'utilisation de nanoparticules radiosensibilisantes fonctionnalisées pour le suivi par imagerie médicale. Ces objets, constitués d'un coeur d'or recouvert d'une couche organique, permettent de combiner imagerie multimodale et activité thérapeutique télécommandée, ouvrant ainsi la voie vers la thérapie guidée par imagerie. L'effet radiosensibilisant pourra être généré au moment opportun, déterminé à partir de l'imagerie. L'étude de biodistribution par imagerie TEMP/CT chez des souris a montré une libre circulation des nanoparticules et une élimination rénale avec une présence modérée des nanoparticules dans le foie qui n'est, cependant, pas due à un phénomène d'opsonisation. L'étude par 1RM du cerveau de rats portant un gliosarcome a indiqué une accumulation significative des nanoparticules Au@TADOTAGA-Ge au sein de la tumeur. Enfin le co-marquage des nanoparticules d'or par Gcr et 64Cu2+ (complexées par les ligands macrocycliques) a permis de suivre ces objets, chez le même animal, après injection intraveineuse, à la Ibis par TEP et 1RM dont la combinaison bien que très recherchée est rarement mise en oeuvre. Le caractère radiosensibilisant de la suspension de nanoparticule Au@TADOTAGA a été confirmé par le suivi de croissance tumorale après traitement par irradiation MRT 15 minutes après l'injection des nanoparticules par voie intratumorale. Le gain thérapeutique de la mise en oeuvre de ce traitement a ensuite été validé par une irradiation MR'F 24 heures après l'injection intraveineuse des nanoparticules à des rats portant un gliosarcome. / The original properties of nanoparticles make them extremely attractive in the field of oncology. In fast, gold nanoparticles coated by macrocyclic ligands allow imaging and therapy with only one object. Therefore, multifunctional platforms are very promising for image-guided therapy, winch constitutes an important step towards personalization of treatment. This consists of stimulating the therapeutic activity of the nanoparticles when their accumulation is high within the tumor zone and low in healthy tissues. A higher selectivity of the treatment is therefore expected. Biodistribution study by SPECT/CT has shown free circulation, renal elimination and a moderate retention by the liver of the nanoparticles. However, this retention is not due to the opsonisation processus. The MRI study of rats' brain carrying a gliosarcoma has shown an accumulation of nanoparticles Au@FADOTAGA-Gd in the tumor. Moreover, the co-labeling of these nanoparticles by Ge and 64Cts2+was successfully performed. As a result, PET/MRI images, a much researched combination but rarely achieved, were acquired on the same animal alter intravenous injection of the co-labeled nanoparticles. The radiosensitizing character of nanoparticles Au@TADOTAGA was confirmed by the follow up of tumor growth alter a treatment by MRT (microbeam irradiation) 15 minutes after intratumoral injection of nanoparticles. The therapeutic gain of this treatment has been validated by MRT 24 hours after intravenous injection of nanoparticles to rats carrying gliosarcoma (radioresistant tumor in radiosensitive organ).

En radiothérapie, les nanoparticules faites de métaux lourds telles que les nanoparticules l’or (AuNPs) ont démontré des propriétés radiosensibilisantes particulièrement prometteuses. Une augmentation de la dose et du nombre de radicaux produits, à échelle tumorale (effet photoélectrique) et à échelle sub-cellulaire (électrons Auger) pourraient être responsables d’une partie des effets pour les rayons X de basse énergie. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier ces mécanismes physiques et chimiques précoces par des outils de simulation, afin de mieux les quantifier et comprendre leur impact sur la survie cellulaire. Nous avons d’abord finalisé et validé une simulation Monte Carlo développée pour suivre les électrons jusqu’à très basse énergie à la fois dans l’eau (meV) et dans l’or (eV). Nous avons obtenu de bons résultats pour l’or en comparant nos données avec des données expérimentales de la littérature, en terme de production d’électrons et de perte d’énergie. Nous avons utilisé cet outil de simulation pour quantifier l’énergie déposée dans des nanocibles situées près d’une AuNP, qui est corrélée à la probabilité de générer des dommages. Cette étude a nécessité d’importantes optimisations, afin d’atteindre des temps de calculs raisonnables. Nous avons montré une augmentation significative de la probabilité d’avoir un dépôt d’énergie dans la nanocible supérieur à une énergie seuil, dans un rayon de 200 nm autour de la AuNP, ce qui suggère qu’une AuNP pourrait efficacement détruire des cibles biologiques situées dans sa périphérie. Nous avons ensuite utilisé la simulation pour quantifier des effets chimiques. A échelle macroscopique, nous avons estimé l'augmentation de la quantité de radicaux libres produits en présence d’une concentration d’AuNPs. Nous avons également comparé la distribution radiale des espèces chimiques d’une nanoparticule d’or ionisée, à celle d’une nanoparticule d’eau ionisée. Si le nombre total d'espèces chimiques par ionisation était en moyenne plus important pour l'or que pour l'eau, le nombre d’espèces chimiques produites en périphérie de la nanoparticule n’était pas systématiquement supérieur pour l’or par rapport à l’eau. Cela suggère que l’effet de la AuNP dans sa périphérie réside surtout dans l’augmentation de la probabilité d’avoir une ionisation. Nous avons également étudié plusieurs scénarios pour expliquer l’augmentation expérimentale inattendue de la production d’espèces fluorescentes lors de l’irradiation d’une solution d’AuNPs et de coumarine. Notre étude suggère qu’un scénario plausible pouvant expliquer les observations expérimentales est l’interférence entre une AuNP et une des molécules intermédiaires produites suite à la réaction entre la coumarine et le radical hydroxyle. Pour finir, nous avons injecté les résultats des simulations dans le modèle biophysique NanOx, développé à l’origine à l’IPNL pour calculer des doses biologiques en hadronthérapie, afin de prédire la survie cellulaire en présence de AuNPs. Nous avons aussi implémenté le Local Effect Model (LEM), principal modèle biophysique utilisé dans le contexte des nanoparticules. Pour le LEM, nous nous sommes appuyés sur plusieurs approches dosimétriques proposées dans la littérature. Pour un système simpliste où les AuNPs étaient distribuées de façon homogène dans la cellule, nous avons montré que, selon l’approche dosimétrique, les prédictions de survies du LEM étaient significativement différentes. De plus, nous avons obtenu une augmentation de la mort cellulaire avec NanOx qui était due uniquement à l’augmentation macroscopique du dépôt de dose. Nous n’avons obtenu aucun effet supplémentaire dû aux électrons Auger, en contradiction avec les prédictions du LEM. Cette étude suggère que les modèles actuels proposés pour prédire l'effet radiosensibilisant des AuNPs doivent être améliorés pour être prédictifs, en prenant par exemple en compte de potentiels mécanismes biologiques mis en évidence par l'expérience / In radiation therapy, high-Z nanoparticles such as gold nanoparticles (GNPs) have shown particularly promising radiosensitizing properties. At an early stage, an increase in dose deposition and free radicals production throughout the tumour (photoelectric effect) and at sub-cellular scale (Auger cascade) might be responsible for part of the effect for low-energy X-rays. In this Ph.D work, we propose to study these early mechanisms with simulation tools, in order to better quantify them and better understand their impact on cell survival. We first finalised and validated Monte Carlo (MC) models, developed to track electrons down to low energy both in water (meV) and gold (eV). The comparison of theoretical predictions with available experimental data in the literature for gold provided good results, both in terms of secondary electron production and energy loss. This code allowed us to quantify the energy deposited in nanotargets located near the GNP, which is correlated with the probability to generate damages. This study required important optimisations in order to achieve reasonable computing time. We showed a significant increase of the probability of having an energy deposition in the nanotarget larger than a threshold, within 200 nm around the GNP, suggesting that GNPs may be particularly efficient at destroying biological nanotargets in its vicinity. The MC simulation was then used to quantify some chemical effects. At the macroscale, we quantified the increase of free radicals production for a concentration of GNPs. We also compared the radial distribution of chemical species following the ionisation of either a gold nanoparticle or a water nanoparticle. We showed that following an ionization, the average number of chemical species produced is higher for gold compared to water. However, in the vicinity of the nanoparticle, the number of chemical species was not necessarily higher for gold compared to water. This suggests that the effect of GNPs in its vicinity mostly comes from the increase of the probability of having an ionisation. We also studied several scenarios to explain the unexpectedly high experimental increase of the production of fluorescent molecules during the irradiation of a colloidal solution of GNPs and coumarin. Our study suggests that a plausible scenario to explain experimental measurements would be that GNPs interfere with an intermediate molecule, produced following the reaction between a coumarine molecule and a hydroxyl radical. During the last step of this Ph.D work, we injected our MC results in the biophysical model NanOx, originally developed at IPNL to calculate the biological dose in hadrontherapy, to predict cell survival in presence of GNPs. In addition, we implemented the Local Effect Model (LEM), currently the main biophysical model implemented for GNP-enhanced radiation therapy, to compare the NanOx and the LEM predictions with each other. In order to estimate cell survival with the LEM, we used various dosimetric approaches that were proposed in the literature. For a simple system where GNPs were homogeneously distributed in the cell, we showed that the LEM had different outcomes with regard to cell survival, depending on the dosimetric approach. In addition, we obtained an increase of cell death with the biophysical model NanOx that was purely due to the increase of the macroscopic dose. We did not obtain an increased biological effectiveness due to Auger electrons, which comes in contradiction with the LEM predictions. This study suggests that the current biophysical models available to predict the radiosensitizing effect of GNPs must be improved to be predictive. This may be done, for instance, by accounting for potential biological mechanisms evidenced by experimental works

La photothérapie dynamique (PTD) est un traitement alternatif du cancer qui nécessite l’utilisation de chromophores (photosensibilisateurs) capables d’induire la mort cellulaire suite à une irradiation lumineuse. Les nanoparticles d’or (AuNP), grâce à leur phénomène de résonance plasmon localisée, peuvent exalter les propriétés photophysiques des chromophores localisés à leur surface. L’utilisation d’une excitation biphotonique, dans le proche infrarouge, peut être utilisée pour améliorer l’action thérapeutique (PTD) ou diagnostique (imagerie de fluorescence) des chromophores en augmentant la profondeur de pénétration dans les tissus et la résolution tridimensionnelle de la microscopie biphotonique.Lors de ce travail, l’élaboration de nouvelles nanoparticules hybrides est proposée, présentant des applications potentielles en bioimagerie (sondes brillantes) et comme photosensibilisateurs pour la PTD. Ces nanoparticules sont composées d’un cœur d’or sur lequel sont greffés des conjugués polymère-chromophores biphotoniques. La stratégie de synthèse a consisté à : i) synthétiser des conjugués polymère-chromophores biphotoniques solubles dans l’eau ; ii) les greffer de manière orientée à la surface des AuNP. La synthèse des conjugués polymère-chromophores hydrosolubles on été synthétisés via le couplage efficace de chromophores hydrophobes en position latérale des copolymères P(NAM-co-NAS) bien-définis, obtenus par la techniques de polymérisation radicalaire contrôlée RAFT. Cette stratégie permet le contrôle à la fois de la longueur des chaînes polymère formées (2 000 g.mol-1 < Mn plus < 37 000 g.mol-1) et du nombre de chromophores couplés par chaîne (de 1 à 21). Le greffage orienté de ces conjugués à la surface des AuNP a été mis en évidence (TEM, ATG) et les densités de greffage se sont avérées élevées (~0.5chaîne/nm²). Un des rôles de la chaîne polymère étant de contrôler la distance entre les chromophores et la surface des AuNP. Il a été mis en évidence que l’augmentation de la longueur de chaine des conjugués induisait, outre une augmentation de la couronne greffée (par MET) sur les AuNP, une augmentation de l’émission de fluorescence de ces conjugués polymère-chromophores. Enfin, les propriétés biologiques des conjugués avant et après greffage sur les AuNP ont été évaluées in cellulo, mettant en valeur leur potentiel pour des applications thérapeutiques et diagnostiques. / Photodynamic therapy (PDT) is an alternative treatment of cancer requiring the use of chromophore molecules (photosensitizers), which can induce cell death after light excitation. Gold nanoparticles (AuNP), exhibiting localized Surface Plasmon Resonance, can enhance the photophysical response of chromophores located in their vicinity, and thus improve their therapeutic action. Moreover, the use of highly localized two-photon chromophores (photosensitizers and fluorophores), capable to undergo a localized excitation by light in the Near InfraRed region, should increase the penetration depth into tissues, thus improve the treatment efficiency (by PDT) and the imaging (by fluorescence microscopy) of cancer tissues.In this work, we describe the elaboration of water-soluble hybrid nano-objects for PDT and fluorescence bioimaging applications, composed of two-photon chromophore-polymer conjugates grafted onto gold nanoparticles. In order to obtain these nano-objects we follow a multistep strategy: i) the synthesis of a well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates; ii) the end-group oriented grafting of chromophore-polymer conjugates onto 20 nm AuNP. The coupling of hydrophobic two-photon chromophores on linear water-soluble copolymer chains (poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide)), obtained by controlled/living RAFT polymerization, resulted in well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates, with different polymer lengths (2 000 g.mol-1 < Mn < 37 000 g.mol-1) and architectures (random or block), and a controlled number of chromophores per chain (varying between 1 and 21). Their grafting onto 20 nm AuNP gave water-soluble hybrid nano-objects with high grafting densities (~0.5 chains/nm²). The role of the polymer chain being to tune the distance between chromophores and AuNP surface, we have evidenced the increase in the polymer corona thickness of grafted AuNP (estimated by TEM) with the increasing polymer Mn, corroborating with the corresponding distance-dependent fluorescence properties of those. Finally, the in cellulo biological properties of two-photon chromophore-polymer conjugates, before and after grafting onto AuNP, have been investigated, highlighting their potential for two-photon bioimaging and PDT applications.

La génération de surfaces présentant des nanostructurations de surface variées et modulables est l’objectif principal de ce travail. L’auto-assemblage de copolymères à bloc ou de nanoparticules d’or a été privilégié, et nécessite pour se faire de moduler finement les interactions aux interfaces substrat/ matériaux déposés. Dans une première partie, un dispositif expérimental de greffage de silane alkyle en voie vapeur est décrit. Cette technique de greffage permet d’aboutir à des surfaces fonctionnalisées soit de façon homogène, soit de façon graduelle et ce, avec un ou deux silanes (substrat respectivement mono ou bi-composant). La robustesse, la simplicité et la flexibilité de notre procédé ont été démontrés par des caractérisations physico-chimique (mesure des propriétés de mouillabilité), chimique (spectroscopie de photoélectrons X) ainsi que par analyse topographique (microscopie à force atomique). Dans une deuxième partie, l’influence des interactions aux interfaces substrat / film sur l’auto-assemblage de copolymères à bloc PS-b-PMMA a été mise en évidence par AFM. A partir des substrats de silicium homogènes en énergie de surface, il a été possible de moduler la nanostructuration sur différents échantillons et à partir des surfaces fonctionnalisées graduellement, cette variation de nanostructuration a pu être obtenue sur un même substrat. Par l’utilisation de copolymère à bloc PS-b-PI, il est par ailleurs possible de générer des films nanostructurés sans préfonctionnalisation du substrat, sans recuit et ce quelle que soit l’épaisseur du film. Dans une troisième partie, l’influence des interactions aux interfaces sur l’assemblage capillaire/convectif dirigé de nanoparticules d’or a été démontré par microscopie à champ sombre. La nature chimique et la densité de greffage des silanes ainsi que la dimension des échantillons ont été modulées pour mettre en évidence le rôle de ces paramètres sur l’assemblage de ces particules. Cette étude montre que les interactions aux interfaces contrôlent l’assemblage des entités chimiques organiques et inorganiques et donc la nanostructuration de surface qui en résulte. / The purpose of this work is to develop a methodology based on the control of interactions at substrate/deposited material interfaces in order to achieve well-defined structures at the nanoscale (nanostructuration). In particular, silane molecules were grafted onto planar substrates to adjust the physico-chemical interactions in order to consequently control block copolymers / gold nanoparticles self-assemblies. The first part describes the experimental set-up developed to graft alkyl silanes through vapor phase strategy. The modification can be finely tuned such that homogeneously or gradually functionalized surfaces with either one or two silanes (or- or two-component substrate, respectively) are obtained. The versatility and simplicity of our process were demonstrated by wettability measurements, X-ray photoelectron spectroscopy and microscopic analysis (AFM) performed on these different surfaces. The second part points out the influence of grafting density and polarity on block copolymers self-assembly. PS-b-PMMA films were first used. With using homogeneously-modified substrates, it has been demonstrated that block copolymers self-assembly depends on substrate surface chemistry, and different cases (dewetting, wetting, parallel or perpendicular orientation of nanodomains) were achieved as a function of the grafting density of silanes on the substrate. Using gradually-modified surface, these different nanostructures were obtained on one unique sample. Moreover, by using appropriate deposition conditions with another block copolymer (PS-b-PI), well-oriented nanostructured films were obtained without pre-functionalization or annealing, regardless of film thickness. In the third part influence of surface chemistry on gold nanoparticles deposited through capillary/convective assembly is investigated and characterized by dark field microscopy. The careful selection of silane in conjunction with appropriate grafting density are adjusted in order to emphasize the impact of these parameters on the assembly process and therefore on the surface nanostructures. This study demonstrates that the control of interfacial interactions dictates the self-assembly of organic or inorganic materials deposited on a planar substrate.