La squalénisation est la base d’une nouvelle et très prometteuse nanotechnologie. Le concept repose sur l’observation que la conjugaison d’un analogue nucléosidique ayant une activité thérapeutique à une molécule de squalène conduit à la formation spontanée dans l’eau de nanoparticules, de diamètre compris entre 100 et 300 nm, montrant une activité très supérieure à celle de l’analogue nucléosidique seul. Au cours de cette thèse nous avons cherché à comprendre les relations entre la nature de la paire drogue-terpénoide, la structure des nanoparticules et leur activité biologique. Pour cela, d’une part différents nucléosides et analogues nucléosidiques ont été couplés de façon covalente au squalène et d’autre part la gemcitabine a été couplée à des dérivés terpénoides de longueurs croissantes. L’organisation supramoléculaire de ces composés a été déterminée par diffusion des rayons X aux petits angles et cryo-microscopie électronique. L’influence des conditions de nanoprécipitation sur la structure des nanoparticules a été étudiée. L’impact de l’organisation supramoléculaire des nanoparticules sur leur internalisation cellulaire et leur cytotoxicité a été mis en évidence pour certaines lignées. / Squalenoylation is a new and very promising nanotechnology. The concept consists in coupling nucleoside derivatives that have therapeutic activity to a molecule of squalene: whatever the nucleoside, nanoparticles with a diameter around 100 - 300 nm are spontaneously obtained upon nanoprecipitation of the nucleolipid in an aqueous medium. These nanoparticles display an increased biological activity compared with the nucleoside. The aim of this PhD thesis was to understand the link between the nature of the drug-terpenoid pair, the supramolecular structure of nanoparticles and the biological activity.Therefore, in a first part, several nucleosides and nucleoside derivatives were covalently coupled to squalene, and in a second part gemcitabine was coupled to terpenoid chains with increasing length. The supramolecular organization of the nanoparticles was determined by Small Angle X-rays Scattering and cryogenic transmission electronic microscopy. The influence of the condition of nanoprecipitation on the supramolecular structure of nanoparticles was studied. The impact of the supramolecular organization on the cell internalization and cytotoxicity was highlighted for some cell lines.

Cette thèse concerne le développement et l'évaluation des nanoparticules pour le traitement du cancer et plus particulièrement pour le cancer de la prostate.Le manuscrit comprend une revue de la littérature sur l'application de la nano médecine pour le traitement du cancer de la prostate. Dans la première partie expérimentale, des nanoparticules d'or fonctionnalisées ont été caractérisées et chargées avec le docétaxel par adsorption non covalente.Ces nanoparticules d'or ont montré un effet cytotoxique in vitro prolongé contre les cellules cancéreuses de la prostate. La deuxième partie expérimentale de cette thèse décrit une étude de synthèse et une nano-précipitation de polyesters pour la co-délivrance de deux médicaments chimio-thérapeutiques, le docétaxel (DOC) et la mitoxantrone (MIT). Les polycaprolactone, poly(acide lactique) et poly(lactide-co-glycolide) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle avec des poids moléculaires différents de polyéthylène glycol. Des nanoparticules monodisperses d’un diamètre d’environ 80 nm ont été obtenues et se sont avérées être efficaces contre les cellules cancéreuses de la prostate quand cela est chargé en MIT et DOC. De plus, un effet synergique a été observé en utilisant des combinaisons de ces nanoparticules. Par conséquent, ces nanoparticules, à base de polyester, ont de potentielles applications cliniques. / This thesis concerns the development and evaluation of nanoparticles for cancer treatment, and in particular to prostate cancer. The manuscript includes a literature review on the application of nanomedicine to the treatment of prostate cancer. In the first experimental part, functionalized gold nanoparticles were characterized and loaded with docetaxel by non covalent adsorption. These gold nanoparticles showed a sustained cytotoxic effect in vitro against prostate cancer cells. The second experimental part of this thesis describes a study of synthesis and nanoprecipitation of polyesters for the co-delivery of two chemotherapeutic drugs, docetaxel (DOC) and mitoxantrone (MIT). Polycaprolactone, poly(lactic acid) and poly (lactide-co-glycolide) were synthesized by ring-opening polymerization with different molecular weights of polyethylene glycol. Monodisperse nanoparticles with diameters of less than 80 nm were produced and were shown to be effective against prostate cancer cells when loaded with MIT and DOC. Moreover, a synergistic effect was observed using combinations of these nanoparticles. Therefore, these polyester based nanoparticles have potential clinical applications.

Ce doctorat portait sur le développement de nanoparticules (NPs) photosensibles constituées d’un cœur photolysablepoly(acrylate d'o-nitrobenzyle) (polymère hydrophobe biocompatible - PANB) et d’une couronne basée sur un dérivé du dextrane (polysaccharide bactérien, hydrophile et biodégradable). Dans un premier temps, le PANB-N3 a été synthétisé par i) polymérisation radicalaire contrôlée (SET-LRP) de l’acrylate d’o-nitrobenzyle puis ii) modification chimique de l’extrémité de chaîne par une fonction azoture. En parallèle, le dextrane a été hydrophobisé par quelques chaînes grasses dotées d’un groupe alcyne (obtention du DexAlcyne-15). Ces polymères précurseurs peuvent alors réagir par chimie click CuAAC (Cycloaddition azide-alcyne catalysée par Cu(I)) pour engendrer divers glycopolymères greffés Dex-g-PANB. Dans un deuxième temps, les NPs ont été formulées par deux procédés puis caractérisées en termes de taille, recouvrement en dextrane (quantité par gramme de PANB, épaisseur de la couche surfacique) et stabilité colloïdale en milieu salin, en présence de tensioactif compétitif ou dans un milieu de culture (DMEM). Le procédé de nanoprécipitation a été appliqué aux Dex-g-PANB présentant de fortes fractions massiques en PANB (>40%) alors que le procédé d’émulsion-évaporation de solvant organique a été mis en œuvre en utilisant le DexAlcyne-15 comme tensioactif hydrosoluble et le PANB-N3 comme matériau hydrophobe. Grâce à leurs fonctionnalités complémentaires, une réaction CuAAC peut (ou non) avoir lieu à l’interface liquide/liquide pendant l’élaboration des NPs et conduire à l’obtention de NPs « non clickées » ou « clickées ». Enfin, le caractère photosensible des NPs a été validé par irradiation UV en observant une disparition progressive des NPs résultant de la photolyse des PANB. Afin d’utiliser ces NPs comme systèmes stimulables de délivrance de médicaments, un anticancéreux (Doxorubicine - Dox) a été encapsulé au sein des NPs, pendant leur élaboration. Cette encapsulation a été optimisée et les NPs chargées de DOX ont été caractérisées en termes de taille et d’efficacité d’encapsulation. La libération de la DOX hors des NPs a ensuite été suivie par simple diffusion, ou provoquéepar irradiation UV. Enfin, le potentiel biologique de ces NPs a été évalué vis-à-vis d’une lignée cellulaire tumorale humaine d'origine intestinale isolée d'un adénocarcinome colique (Caco-2). Après vérification de leur biocompatibilité et de la résistance des Caco-2 aux irradiations UV, nous avons pu montrer que les NPs chargées pouvaient libérer suffisamment de DOX en seulement 30 secondes d’irradiation (puissane: 54mW/cm2) pour éradiquer plus de 50% de ces cellules cancéreuses. / This work was focused on the development of light-sensitive nanoparticles (NPs) based on a photodegradable poly(o-nitrobenzyl acrylate) core(PNBA, hydrophobic and biocompatible polymer) and a dextran derivative shell (dextran is a biodegradable and hydrophilic bacterial polysaccharide). Firstly, PNBA-N3 was synthesized by i) Single-Electron Transfer Living Radical Polymerization (SET-LRP) of o-nitrobenzyl acrylate then ii) introduction of one azide end-function. In the same time, DexAlkyne-15 carrying several alkyne groups was produced by hydrophobization of dextran. Such DexAlkyne-15 and PNBA-N3 can react by CuAAC (Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition) click chemistry leading to Dex-g-PNBA glycopolymers with various macromolecular parameters. Secondly, NPs were produced by comparing two processes then characterized in terms of size, dextran amount, shell thickness and colloidal stability in NaCl or cell culture media, or in presence of one strong surfactant. On one hand, NPs were made by nanoprecipitation of Dex-g-PNBA exhibiting high PNBA weight fractions (>40 %). On the other hand, NPs were produced by emulsion-evaporation of the organic solvent using DexAlkyne-15 as water-soluble surfactant and PNBA-N3 as hydrophobic materials. In this case, in situ CuAAC occurred (or not) at the liquid/liquid interface during the NPs formulation, leading to “clicked” and “not-clicked” NPs. Finally, NPs disruption was studied by UV irradiation according the PNBA chains photolysis. To use such NPs as smart drug delivery systems, Doxorubicin (DOX - an anticancer agent), was loaded inside the NPs during their elaboration. The experimental conditions were optimized to enhance the DOX encapsulation. The kinetics release of encapsulated DOX were studied by diffusion or under UV irradiation. Finally, the biological potential of these NPs was estimated towards Caco-2 (continuous line of heterogeneous human epithelial colorectal adenocarcinoma cells). After checking the NPs biocompatibility and theCaco-2 strength under UV irradiation, we proved that such loaded NPs can release enough DOX under 30 second irradiation (power: 54mW/cm2) to decrease the Caco-2 viability about more than 50%.

Des particules constituées d’un cœur polymère polylactide (PLA), recouvertes d’une couche de polysaccharide adsorbé physiquement (dextrane hydrophobisé par des chaînes alkyle en C6, DexC6) et contenant des substances actives (SA) de type polyphénolique ont été élaborées par différents procédés physico-chimiques discontinus (nanoprécipitation et émulsion-évaporation de solvant) ou continus (procédé microfluidique d’émulsion-diffusion de solvant). L’extrapolation du procédé de nanoprécipitation de l’échelle laboratoire (25 mL) à l’échelle pilote (1 L) a été examinée. Ces particules étaient destinées au traitement des milieux aquatiques, pour la lutte contre le développement des cyanobactéries et des algues. Dans le but de maîtriser les caractéristiques des particules élaborées (distribution de taille, stabilité colloïdale, rendement d’encapsulation en SA ...), l’influence de paramètres physico-chimiques a été étudiée (concentration du PLA dans la phase organique, concentration du DexC6 dans la phase aqueuse, rapport volumique des deux phases, fraction massique SA/PLA …). Les procédés mis au point ont permis d’obtenir des particules dont les diamètres moyens allaient de 0,1 µm à 1 mm, avec des distributions granulométrique bien maîtrisées. Ces objets ont été caractérisés en termes de taux de recouvrement en dextrane, de quantité de SA encapsulée et de morphologie. La stabilité colloïdale des suspensions de nanoparticules a été examinée dans des milieux de force ionique variable. Par ailleurs, nous avons vérifié la possibilité de redisperser les suspensions de particules après lyophilisation. Pour les nanoparticules, l’addition d’un cryoprotecteur s’est avérée indispensable. Les cinétiques de libération des substances actives à partir des particules nano- et micrométriques ont également été suivies et les phénomènes limitant leur libération ont été identifiés.Enfin, des essais sur des milieux de culture contenant des cyanobactéries ont été réalisés. Ils ont montrés que la libération des SA conduisait à des effets algistatiques ou algicides selon les quantités utilisées. / Polysaccharide-covered polyester particles were prepared. The core of particles was made of polylactic acid (PLA) while their surface was covered by dextran chains via the use of water-soluble randomly hydrophobized dextran (DexC6) as a polymeric stabilizer. Polyphenolic active substances were encapsulated inside those particles. Polyphenol loaded PLA particles were designed for preventing cyanobacterias and algae proliferation in aquatic media. Conventional batch processes (nanoprecipitation or emulsion-solvent evaporation) and continuous processes (emulsion-solvent diffusion in microfluidics) were used to elaborate particles with average diameters ranging between 0.1 µm and 1 mm. The scale up of nanoprecipitation from lab scale (25 mL) to pilot scale (1 L) was also studied. The formulation parameters (PLA concentration in the organic phase, DexC6 concentration in the aqueous phase, aqueous phase to organic phase volume ratio, active substance weight fraction…) were optimized in order to obtain particles with well controlled characteristics (average diameter and size distribution, colloidal stability, encapsulation efficiency …). Loaded particles elaborated by different processes were characterized with regards to DexC6 surface coverage, colloidal stability at various ionic strengths, morphology and encapsulation efficiency. We also investigated the re-dispersion ability of particle suspensions after freeze drying and we showed that the use of a cryoprotectant was required in case of nanoparticles. The release of polyphenolic molecules from the elaborated polymeric nano- and microparticles was studied and limiting steps were identified. Finally, the cytotoxicity of nanoparticles toward cyanobacterias was evaluated. It was demonstrated that anti-algal effects were observed depending on the added quantities.

La squalénisation est la base d'une nouvelle et très prometteuse nanotechnologie. Le concept repose sur l'observation que la conjugaison d'un analogue nucléosidique ayant une activité thérapeutique à une molécule de squalène conduit à la formation spontanée dans l'eau de nanoparticules, de diamètre compris entre 100 et 300 nm, montrant une activité très supérieure à celle de l'analogue nucléosidique seul. Au cours de cette thèse nous avons cherché à comprendre les relations entre la nature de la paire drogue-terpénoide, la structure des nanoparticules et leur activité biologique. Pour cela, d'une part différents nucléosides et analogues nucléosidiques ont été couplés de façon covalente au squalène et d'autre part la gemcitabine a été couplée à des dérivés terpénoides de longueurs croissantes. L'organisation supramoléculaire de ces composés a été déterminée par diffusion des rayons X aux petits angles et cryo-microscopie électronique. L'influence des conditions de nanoprécipitation sur la structure des nanoparticules a été étudiée. L'impact de l'organisation supramoléculaire des nanoparticules sur leur internalisation cellulaire et leur cytotoxicité a été mis en évidence pour certaines lignées.

La limitation de solvants toxiques halogénés dans les procédés de préparation de matériaux photoactifs est primordiale pour l’industrialisation des cellules solaires organiques. L’objectif de ce travail de thèse a été de préparer des nanoparticules composées de polymère π-conjugué (PCDTBT) et d’accepteur d’électron (PC71BM) dans l’eau ou en milieu alcool. Des particules composites (PCDTBT+ PC71BM) ontété synthétisées avec deux types de stabilisants : un tensio-actif anionique (SDS) et un copolymère à blocs P3HT-b-PEO, ainsi que sans stabilisant. L’intégration de ces nanoparticules dispersées en phase aqueuse dans la couche active de cellules solaires organiques a par exemple permis d’obtenir des rendements de l’ordre de1%. / The replacement of halogenated toxic solvents is fundamental in photoactive material processes to make the organic photovoltaic sector viable. Herein the use of nanoparticles made of π-conjugated polymer (PCDTBT) and electron-acceptor(PC71BM) was targeted in order to allow for instance the control of the phase separation between the two materials. Thus composite particles of PCDTBT and PC71BM have been synthesized using two kinds of stabilizers: an anionic surfactant (SDS) and a block copolymer P3HT-b-PEO, as well as without stabilizer. As an example such nanoparticles were integrated as active layer into photovoltaic device enabling a power conversion efficiency of 0.94% from aqueous based inks.

Ce travail de thèse est consacré à la préparation de glycopolymères porteurs de groupements pendants mannoside d’heptyle et à l’évaluation de la capacité de ces ligands multivalents à inhiber la fixation bactérienne sur les cellules humaines. Nous avons synthétisé, par polymérisation radicalaire contrôlée, une série de glycopolymères linéaires ou en étoile présentant des masses molaires, des densités en mannoside et des microstructures modulables dans le but d’évaluer l’influence de ces paramètres sur les processus d’interactions avec diverses souches de bactéries E coli (AIEC LF82 et UTI 89). Nous avons tout d’abord mis en évidence par diffusion dynamique et statique de la lumière, la formation d’agrégats entre ces glycopolymères et FimH, la lectine à l’origine de la fixation de souches de bactéries E coli, traduisant des interactions fortes entre les motifs mannosides et les sites de reconnaissance au mannose de la lectine. Nous avons ensuite évalué l’aptitude de ces ligands multivalents à bloquer l’adhésion bactérienne d’AIEC LF82 (impliquée dans la maladie de Crohn) sur des cellules épithéliales intestinales T84. Il a été démontré en conditions in vitro que l’ajout de 10 nM ou 100 nM d’unités mannoside (respectivement en pré- ou post-incubation) réduit de moitié l’adhésion des bactéries sur les cellules épithéliales. L’effet anti-adhésif de ces glycopolymères a été confirmé par des tests ex vivo réalisés sur des intestins isolés de souris transgéniques CEABAC10. Enfin, nous avons exploité la technique de nanoprécipitation pour l’élaboration de nanocapsules de glycopolymères à cœur huileux. Le procédé développé permet la synthèse de nanocapsules de dimensions contrôlées, porteuses de groupements fonctionnels (fluorophores, ligands) ou de particules métalliques et l’encapsulation de molécules actives à cœur en une seule étape. / This PhD work focuses on the preparation of glycopolymers bearing pendent heptyl mannose groups and the evaluation of the capability of such multivalent ligands to inhibit bacterial adhesion to human cells. Aiming at understanding the impact of various structural parameters on glycopolymer/ E coli interactions (AIEC LF82 et UTI 89 strains of E. coli), a series of linear and star-shaped glycopolymers with tunable molecular weight, mannoside density and microstructure (block copolymers, gradient copolymers, random copolymers) has been constructed. The association of the glycopolymers with FimH adhesin, a lectin which possesses a mannose-specific receptor site and is responsible for recognition and binding to host cells, was first confirmed by static and dynamic light scattering experiments. The propensity of the glycopolymers to prevent attachment of E. coli (AIEC LF82 involved in Crohn’s disease) to intestinal epithelial cells (T84 cells) was further investigated through adhesion assays. It was shown that under in vitro conditions, the addition of 10 nM or 100 nM of glycopolymer on a mannose unit basis (in pre-incubation and post-incubation respectively) decreases by half the bacterial adhesion to intestinal epithelial cells. The anti-adhesive effect of these multivalent ligands was further confirmed in ex vivo conditions for colonic loops of transgenic CEABAC10 mice (Crohn’s disease model mouse). Finally we took advantage of the nanoprecipitation process to generate glyconanocapsules with oily core. The employed strategy allowed for preparing well-defined nanocapsules bearing groups of interest (tags, ligands) or metal particles within the shell and loaded with active molecules in the core in one step.

L’auto-assemblage de copolymères à blocs amphiphiles est un outil puissant de la chimie supramoléculaire pour la conception de nano-objets complexes et fonctionnels. Dans ces travaux de thèse, l’étude approfondie d’un copolymère à blocs « hybride » synthétique-b-peptidique poly(triméthylène carbonate)-b-poly(acide glutamique) pour des applications de vectorisation a été menée. Des morphologies vésiculaires, obtenues par auto-assemblage en voie « co-solvant » et présentant une grande stabilité ainsi qu’un caractère stimulable ont été mises en évidence. Une transition inédite en température, par des phénomènes de fusion et de fission, a pu être observée. L’encapsulation dans ces vésicules polymères d’un principe actif anti-tumoral et de nanoparticules magnétiques, à des taux très élevés, permet d’améliorer le contraste en IRM ainsi que de moduler la libération de la molécule par une variation des paramètres environnementaux (pH, T) ou par un effet d’hyperthermie magnétique. / Block copolymer self-assembly is a powerful tool within supramolecular chemistry to design smart and functional nano-objects. In this thesis work, comprehensive study of hybrid poly(trimethylene carbonate)-b-poly(glutamic acid) block copolymers for drug delivery applications has been conducted. Highly stable vesicular morphologies presenting stimuli-responsive behaviour were prepared using a solvent-injection method. In particular, original temperature responsiveness mediated by fusion and fission events has been evidenced. Dual loading of an anticancer drug and superparamagnetic nanoparticles in these vesicles, at very high loading contents, allows enhancing MRI contrast and controlling drug release kinetics by varying environmental conditions (pH, T) or by using a magnetic hyperthermia effect.

L’objectif de ce travail fut de développer et d’appliquer des technologies avancées de mélange et d’émulsification pour la préparation de nanovecteurs de morphologies complexes potentiellement utilisables en tant que produits pharmaceutiques. Premièrement, un procédé de nanoprécipitation assisté par micromélangeur fut utilisé pour obtenir et contrôler la taille de nanoparticules de PMMA chargées en Kétoprofène (100-200 nm). Combiné avec un appareil de séchage par pulvérisation, des nanoparticules sèches purent être obtenues dont les propriétés physico-chimiques furent proches de celles des particules non séchées. Ce microprocédé de nanoprécipitation permit également d’encapsuler des nanoparticules d’oxyde de fer (6 nm) dans des nanoparticules de PMMA de 200 nm avec une fraction massique de 60%. Pour augmenter la fraction solide de ces nanosuspensions et obtenir des particules sphériques de tailles plus petites (100 nm), une méthode de nanoémulsification basée sur un fort écoulement élongationnel fut employée. Deuxièmement, des émulsions et nanohydrogels doubles encapsulant un médicament hydrophile modèle dans leur cœur aqueux furent obtenus par couplage d’un microfluidiseur commercial pour l’obtention de l’émulsion primaire et d’une méthode d’émulsification basse énergie (émulsification spontanée) pour la double émulsification. La taille des nanovecteurs doubles a pu être variée grâce au rapport massique surfactant/huile (SOR) dans la gamme 80-80 nm. La colocation de deux sondes fluorescentes, placées dans le cœur et dans l’écorce, a pu être confirmée par microscopie confocale en fluorescence. La méthode d’émulsification spontanée fut également employée pour produire des nanolipogels (60 nm) chargées ou non de nanoparticules d’oxyde de fer et d’or (6 nm). / The aim of this work was to develop and apply advanced technologies in mixing and emulsification for the preparation of morphologically-complex nanocarriers for potential uses in pharmaceutics. Firstly, a micromixer- assisted nanoprecipitation process was used to get and to easily tune the size of Ketoprofen-loaded PMMA nanoparticles (100-200 nm). Combined with a commercial spray dryer, dry-state drug-loaded polymeric nanoparticles (NPs), which main physicochemical properties were close to those of non spray-dried NPs, were successfully produced. This nanoprecipitation microprocess also allowed encapsulating 6 nm iron oxide NPs into 200 nm PMMA nanoparticles with a weight ratio of 60%. To increase the solid content of the above nanosuspension and get spherical polymeric NPs of smaller sizes (100 nm), an elongational-flow nanoemulsification method was used. Secondly, double nanoemulsions/nanohydrogels encapsulating a hydrophilic model drug in the aqueous core droplets/hydrogel were obtained by the combination of a commercial microfluidizer for the primary emulsion and a low energy emulsification method (spontaneous emulsification) for the double emulsification. The size of the double nanocarriers was varied by means of the surfactant to oil ratio (SOR) in the range 80 to 180 nm. Colocation of two fluorescent probes located in the core and in the shell was confirmed by fluorescence confocal microscopy. The spontaneous emulsification method was also employed to produce nanolipogels whose size could be tuned down to 60 nm. These nanolipogels were also loaded with iron oxide nanoparticles (6 nm) or gold nanoparticles (6 nm).