The stomach is frequently exposed to hazardous agents and to resist this harsh environment, several protective mechanisms exist. Of special interest is the gastric pathogen Helicobacter pylori which causes gastritis, ulcers and cancer but the mechanism leading to these diseases are still unclear. However it is very likely that H. pylori negatively influence the protection mechanisms that exist in the stomach. The aims of the present investigation were first to develop an in vivo mouse model in which different protection mechanisms could be studied, and second to investigate the influence of H. pylori on these mechanisms. An in vivo preparation of the gastric mucosa in mice was developed. This preparation allows studies of different gastric mucosal variables and can also be applied for studies in other gastro-intestinal organs. Mice chronically infected with H. pylori, were shown to have a reduced ability of the mucosa to maintain a neutral pH at the epithelial cell surface. This could be due to the thinner inner, firmly adherent mucus gel layer, and/or to defective bicarbonate transport across the epithelium. The Cl-/HCO3- exchanger SLC26A9 was inhibited by NH4+, which also is produced by H. pylori. The mRNA levels of SLC26A9 were upregulated in infected mice, suggesting a way to overcome the inhibition of the transporter. Furthermore, the hyperemic response to acid pH 2 and 1.5 was abolished in these mice. The mechanisms by which the bacteria could alter the blood flow response might involve inhibition of the epithelial iNOS. Water extracts of H. pylori (HPE) reduces the blood flow acutely through an iNOS and nerve-mediated pathway, possibly through the endogenous iNOS inhibitor ADMA. Furthermore, HPE alters the blood flow response to acid as the hyperemic response to acid pH 0.8 is accentuated in mice treated with HPE.

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La délivrance intracytoplasmique de petites molécules hydrophiles et de gènes (ADN, ARN) est un défi majeur pour l’industrie pharmaceutique, puisque ces composés sont incapables de franchir les membranes biologiques par eux-mêmes. L’utilisation de nanovecteurs lipidiques permet de surmonter les étapes d’instabilité sanguine du gène thérapeutique, de pénétration cellulaire et d’échappement endosomal. Nous reportons dans cette thèse l’élaboration de nouveaux vecteurs lipidiques pH-sensibles, basés sur une bascule moléculaire capable de changer de conformation et déstabiliser le nanovecteur après protonation à pH acide, favorisant ainsi l’échappement endosomal du fragile contenu thérapeutique. Ce mécanisme de pH-sensibilité est non reporté dans la littérature jusqu’alors. Dans un premier temps, l’élaboration de lipides bascules pH-sensibles non-cationiques destinés à la délivrance liposomale de principes actifs hydrophiles est reportée. Ce premier travail introduit les lipides bascules, valide l’implication de la bascule moléculaire pH-sensible et apporte une première preuve de concept in vitro de faisabilité. Dans un second temps est introduit l’utilisation de nouveaux lipides bascules cationiques pH-sensibles pour la thérapie génique (délivrance in vitro et in vivo de siRNA), validant encore une fois l’implication de la bascule moléculaire dans l’efficacité de délivrance intracytoplasmique des siRNA. A l’issue de cette thèse sont identifiés deux lipides bascules (2 et CSL3) capables d’être introduits dans des nanoparticules lipidiques pour la délivrance de drogues et de gènes respectivement. De telles formulations permettraient la délivrance intracytoplasmique de composés hydrophiles thérapeutiques (drogues, gènes) pour le traitement du cancer ou pour des applications d’édition génomique. / Intracytoplasmic delivery of small hydrophilic molecules and genes (DNA, RNA) is a major challenge for the pharmaceutical industry, since these compounds are unable to cross biological membranes by themselves. Use of lipid nanocarriers enables overcoming the stages of blood instability of the therapeutic gene, cellular penetration, and endosomal escape. In this thesis, we report the development of new pH-sensitive lipid carriers, based on a molecular switch capable of changing its conformation upon protonation and destabilizing the nanocarrier, thus favoring endosomal escape of the therapeutic content. This pH-sensitivity mechanism has not been reported in the literature to date. Firstly, we report the elaboration of non-cationic pH-sensitive switchable lipids for liposomal delivery of hydrophilic active ingredients. This initial work introduces switchable lipids, validates the involvement of the pH-sensitive molecular switch, and provides early evidence of in vitro concept feasibility. Secondly, we present the use of pH-sensitive cationic switchable lipids for gene therapy (siRNA delivery in vitro and in vivo), again validating the involvement of the molecular switch in the effectiveness of intracytoplasmic delivery of siRNA. The two lead compounds identified during this thesis (2 and CSL3) can be included into lipid nanoparticles for drug and gene delivery, respectively. Such formulations allow intracytoplasmic delivery of therapeutic hydrophilic compounds (drugs, genes) and could be used to treat diseases such as cancer or for genome editing applications.

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La 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) demeure l’agent anticancéreux principalement utilisé dans le traitement de la leucémie myéloblastique aiguë (LMA), malgré sa dégradation et son élimination rapide après une administration parentérale. Son encapsulation dans des vecteurs pharmaceutiques, majoritairement des liposomes, a permis de surmonter ces inconvénients. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer deux systèmes à libération prolongée, à base de phospholipides, de cholestérol et de poly(éthylène glycol) (PEG) afin d’encapsuler l’ara-C et ultimement, d’améliorer son efficacité dans le traitement de la LMA. Des Sphérulites® (vésicules multilamellaires d’un type particulier) ont d’abord été étudiées pour leur forte capacité d’encapsulation, due à leur mode de préparation. Par la suite, une formulation liposomale capable, d’une part de cibler spécifiquement les cellules leucémiques et, d’autre part, de promouvoir la libération intracellulaire de l’ara-C grâce à sa sensibilité au pH, a été mise au point. Les deux formulations se devaient d’avoir un faible diamètre, une stabilité en présence de fluides biologiques et des temps de circulation prolongés chez l’animal. Une préparation de Sphérulites®, composée de Phospholipon 90G, de Solutol HS15 et de cholestérol, a permis d’obtenir des vésicules de 300 nm de diamètre. Un dérivé lipidique de PEG a pu être fixé à leur surface, sans modifier la disposition concentrique des lamelles, ni changer leur stabilité. Les Sphérulites® PEGylées ont été chargées d’ara-C et injectées chez le rat par la voie intraveineuse. Elles ont démontré des temps de circulation significativement prolongés comparativement aux Sphérulites® sans PEG. Cependant, l’ara-C s’est retrouvée éliminée de la circulation sanguine très rapidement, révélant une libération précoce du principe actif à partir de ces vésicules. Les liposomes sensibles au pH (~150 nm) ont été obtenus suite à l’insertion d’un copolymère à base de dioctadécyle, de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique. L’anticorps anti-CD33, soit complet soit son fragment Fab’, a été fixé à la surface des liposomes afin de cibler les cellules leucémiques. Les essais in vitro ont démontré la spécificité de la formulation pour différentes cellules leucémiques (CD33+), sa stabilité en présence de protéines plasmatiques et la libération intracellulaire d’un marqueur fluorescent et de l’ara-C. Enfin, des études menées chez la souris saine et immunodéprimée inoculée de cellules HL60 ont montré que la formulation exposant le fragment Fab’ possédait un profil pharmacocinétique et une biodistribution semblables à ceux des liposomes contrôles non-ciblés. L’encapsulation de l’ara-C a permis d’améliorer grandement ses temps de circulation après une administration intraveineuse. Cependant, bien que les immunoliposomes ont permis de prolonger la survie des souris leucémiques comparativement à l’ara-C libre, l’addition du polymère sensible au pH n’a pas permis d’apporter de réel avantage à la formulation lorsque administrée in vivo. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ont, dans un premier temps, mis en évidence que les Sphérulites® pourraient s’avérer utiles dans la vectorisation d’agents anticancéreux si leur capacité à retenir le principe actif in vivo était améliorée. Dans un second temps, les données présentées avec les immunoliposomes suggèrent qu’ils pourraient apporter un bénéfice notable dans le traitement de la LMA. / Despite its rapid degradation and fast elimination in vivo, 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) is the main anticancer agent used in the treatment of acute myeloid leukemia (AML). The encapsulation of this drug into nanocarriers such as liposomes has been shown to improve its stability, pharmacokinetic profile and, consequently, the treatment efficacy. The purpose of this doctoral work was to develop two nanocarriers employing phospholipids, cholesterol and poly(ethylene glycol) (PEG) to encapsulate ara-C, with the ultimate goal of developing more efficient treatments for AML. The first formulation relied on Spherulites®, which are multilamellar vesicles possessing high entrapment yields due to their fabrication method. In a second part, pH-sensitive immunoliposomes were optimized to target specifically the leukemia cells and promote the release of the loaded ara-C at the desired intracellular site. Both formulations required a small diameter, stability in the presence of biological fluids and long circulation time properties when injected intravenously. An optimized formulation of Spherulites® was developed. It was composed of Phospholipon 90G, Solutol HS15 and cholesterol. The vesicles (300 nm) were able to accommodate PEG-lipid derivatives at their surface without altering their concentric lamellar shape and their in vitro stability. The PEGylated Spherulites® were loaded with ara-C and injected intravenously into rats. The surface-modified vesicles exhibited longer circulation times compared to uncoated Spherulites®. However, most of the loaded-drug was cleared from the systemic circulation very rapidly, reflecting rapid leakage of ara-C from the vesicles. The pH-sensitive immunoliposomes (~150 nm) were obtained by including a terminally-alkylated copolymer made of dioctadecyl, N-isopropylacrylamide (NIPAM) and methacrylic acid in the liposome bilayer. The whole monoclonal antibody anti-CD33 or its Fab’ fragment were grafted on liposomes to target leukemic cells. In vitro assays revealed that this formulation was really specific for the various CD33+ leukemic cell lines, stable in presence of blood proteins, and able to promote the intracellular release of an encapsulated fluorescent probe as well as ara-C. In vivo studies in naïve Balb/c and immunodeprimed (SCID) mice inoculated with HL60 cells confirmed that the anti-CD33 Fab’ targeted formulation possessed pharmacokinetic and biodistribution profiles similar to those of the non-targeted liposomes. The encapsulation of ara-C in this formulation improved substantially its circulation time after intravenous injection. However, although ara-C-loaded immunoliposomes were able to prolong the survival of leukemic mice compared to the free drug, the addition of pH-sensitive polymer did not add any benefit to the formulation. Although these formulations require some optimization, the first part of this work pointed out that Spherulites® could be used to deliver anticancer agents provided that leakage is reduced in vivo. On the other hand, the data obtained with the targeted immunoliposomes suggest that these carriers could be beneficial in the treatment of AML.

Les caractéristiques et les propriétés de libération de microparticules chargées de médicament dépendent de la nature des matériaux employés, des propriétés physicochimiques des microparticules, du choix de la méthode de production, et enfin des propriétés des molécules encapsulées. A l'inverse de la plupart des méthodes conventionnelles, les méthodes microfluidiques présentent l’avantage de bien mieux contrôler la génération de gouttelettes, leur taille et leur distribution de tailles. Ainsi des dispositifs microfluidiques à base de capillaires ont été développés pour obtenir des microbilles de polymère mais également des microparticules de type janus, coeur-écorce ou troyenne, toutes monodisperses en taille et chargées de médicament(s). Ces particules ont été produites à partir de solutions de monomère qui furent polymérisées par irradiations UV de telle sorte à garder intacte l'activité des molécules chargées. Ces dispositifs peuvent être assemblés dans un court laps de temps et un simple changement dans leur conception permet d’obtenir des morphologies de particules très différentes. Ces particules ont été développées dans le but de résoudre les problèmes rencontrés dans l’administration orale de médicaments. Par exemple les microbilles peuvent être utilisées pour délivrer des anti-inflammatoires non stéroïdiens de manière continue tandis que les particules Janus peuvent libérer, simultanément et sur le même site, deux principes actifs possédant des propriétés complètement différentes (solubilité, compatibilité) également de manière prolongée. Quant aux particules coeur-écorce, elles ont été conçues pour cibler la région du côlon de l'intestin humain, et y libérer simultanément deux médicaments. Les particules troyennes furent synthétisées à l’aide d’un procédé microfluidique semi-continu qui a permis une manipulation plus sécurisée des nanoparticules vectrices ainsi que la libération continue d’un médicament dans un liquide gastrique simulé. Chaque système a été entièrement caractérisé pour assurer l’invariance entre lots et la reproductibilité. En général, la libération des ingrédients actifs a pu être facilement contrôlée/ajustée par le réglage des paramètres opératoires et de matériaux tels que les débits des différentes phases, la nature et la concentration du médicament, des (co)monomères, des agents tensioactif et de réticulation, le pH du milieu de libération. Ces différents paramètres influencent les propriétés des microparticules telles que leur morphologie, forme, taille et densité de réticulation du réseau polymère. / Characteristics and release properties of drug loaded microparticles depend upon material used and choice of production method. Conversely to most of the conventional ones, microfluidic methods give an edge by improving the control over droplet generation, size and size distribution. Capillary-based microfluidic devices were successfully used to obtain monodisperse drug(s) loaded microbeads, janus, core-shell and trojan particles using UV initiated free radical polymerization while keeping activity of active loaded molecules. These devices can be assembled in a short period of time and a slight change in design gives completely different microparticles morphologies. These particles were developed with the aim to address different issues experienced in oral drug delivery. For instance microbeads can be used to deliver NASIDs in a sustained release manner while janus particles can release two APIs with completely different properties (solubility, compatibility) also in a sustained release manner. Core-shell particles were designed to target colonic region of human intestine for dual drug delivery. Trojan particles were synthesized in a new semi-continuous microfluidic process, thus improving nanoparticles safety handling and release in simulated gastric fluid. Each system was fully characterized to insure batch to batch consistency and reproducibility. In general, the release of active ingredients was controlled by tuning the operating and material parameters like phases flow rates, nature and concentration of drug, (co)monomers, surfactant and crosslinker, pH of release media with the result of different particle morphologies, sizes and shapes or matrix crosslinking density.

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Les lipides « switch » - bascules - appartiennent à la famille des matériaux sensibles à un stimulus. Quand ces lipides bascules sont incorporés aux nanoparticules lipidiques (LNP), ils permettent la délivrance contrôlée grâce à un changement de conformation activé par une baisse de pH. Des expériences précédentes avaient démontré que les LNP bascules ont transfecté le petits ARN interférents (siRNA) in vitro et in vivo, silençant la protéine fluorescente verte (GFP) et la protéine hépatique Facteur VII, respectivement. La double administration de micro ARN (miRNA) et d'agent anticancéreux melphalan a également été réalisée par les LNP bascule sur un modèle de rétinoblastome murin. Ces résultats prometteurs nous ont encouragé à élargir les applications de LNP bascules en tant que vecteur de siRNA. De plus, le mécanisme par lequel les LNP bascules induisent la déstabilisation de la membrane et la libération de matériaux encapsulé au milleu acide reste obscur. La compréhension de ce mécanisme est cruciale pour cerner les avantages et les limites des LNP bascules, pour proposer des futures applications et pour prévenir leur toxicité. Dans ce mémoire, nous avons comme objectif d’évaluer le potentiel des LNP bascules pour le traitement du cancer. Nous avons évalué les LNP bascules comme vecteur de livraison du siRNA ciblant l'une des protéines cancéreuses les plus spécifiques découvertes à ce jour, la survivine. En parallèle, nous avons étudié le comportement biophysique des membranes contenant des lipides bascules dans des vésicules de taille micromètrique. Dans la première étude, nous avons démontré que les LNP bascules ont permis le silençage de la survivine dans une gamme de lignées cellulaires cancéreuses (poumon, cervical, ovaire, sein, côlon, rétinoblastome). Dans les cellules du rétinoblastome humain (Y79), nous avons examiné plusieurs agents cytotoxiques utilisés en clinique quant à leur synergie avec le silençage de la survivine: melphalan, topotécan, téniposide et carboplatine. Le prétraitement avec les LNP chargées de siRNA-survivine a amélioré de manière synergique la cytotoxicité du carboplatine et du melphalan mais dans une moindre mesure celle du topotécan et du téniposide. Cet effet était spécifique aux cellules cancéreuses car les cellules saines (ARPE.19) n'exprimaient pas de survivine. L'inhibition de la survivine par silençage de siRNA s'est révélée plus spécifique et moins dommageable pour les cellules saines (ARPE.19) que le YM155, un inhibiteur moléculaire de la survivine. Dans la deuxième étude, nous avons observé par microscopie confocale que les lipides bascules induisaient rapidement le stress, la fission et une courbure positive dans les membranes des vésicules unilamellaires géantes lorsqu'elles étaient exposées à des conditions acides. La dynamique de la membrane a été confirmée par des expériences de diffusion dynamique de la lumière (DLS) et de fuite de calcéine. Ces phénomènes ont également été observés lorsque des lipides bascules ont été incorporés dans une membrane hybride polymère/lipide, fournissant des propriétés sensibles au pH aux vésicules hybrides. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une vésicule hybride sensible au pH est reportée. Nos résultats corroborent l'applicabilité des LNP bascules en tant qu'agents de vectorisation des siRNA pour le traitement du cancer grâce au silençage de la survivine, en particulier comme adjuvant à la chimiothérapie. L'investigation biophysique a révélé que les lipides bascules agissent sur la fluidité de la membrane, en particulier à pH acide. Cette sélectivité en pH garantit leur biocompatibilité à pH neutre ainsi que la libération efficace et rapide de leur cargo à pH acide. La compatibilité avec les vésicules hybrides polymère/lipide ouvre de nouvelles applications au niveau de vésicules biomimétiques et l'administration de médicaments. / Cationic switchable lipids belong to the class of stimuli-responsive materials. When incorporated in lipid nanoparticles (LNP), switchable LNP promote pH-triggered delivery of payload based on a molecular switch mechanism. Previous studies have demonstrated that switchable LNP successfully delivered small interferring RNA (siRNA) in vitro and in vivo, promoting the silencing of a reporter Green Fluorescencen Protein (GFP) protein and liver-produced factor VII, respectively. Dual delivery of micro RNA (miRNA) and anticancer agent melphalan was also achieved through switchable LNP in a retinoblastoma rat model. These promising results encouraged us to enlarge the applications of switchable LNP as siRNA carrier. Moreover, the mechanism whereby switchable LNP mediate acid-triggered membrane destabilization and, thus, payload release remains elusive. Understanding this mechanism is crucial to draw the advantages and limitations of switchable LNP, and to tailor their future applications and prevent their potential toxicity. In this dissertation, we aimed to further understand the potential of switchable LNP for cancer treatment. We assessed switchable LNP as a siRNA delivery carrier by targeting one of the most specific cancer protein discovered to date, survivin. Meanwhile, we investigated the biophysical behavior of switchable-lipid containing membranes in micron-sized vesicles. In the first study, we demonstrated that switchable LNP efficiently silenced survivin in a range of cancer cell line models (lung, cervical, ovary, breast, colon, retinoblastoma). In retinoblastoma (RB) cells (Y79), several clinically used cytotoxic agents were screened for their synergy with survivin silencing: melphalan, topotecan, Teniposide, and carboplatin. Pretreatment with LNP loaded with siRNA targeted against survivin synergistically enhanced the cytotoxicity of carboplatin and melphalan but in lesser extent topotecan and teniposide. This effect was specific to cancer cells since healthy cells (ARPE.19) did not express survivin. Survivin inhibition through siRNA silencing revealed more specific and less damageable for healthy cells (ARPE.19) than a molecular approach, such as YM155. In the second study, we observed by confocal microscopy that switchable lipids rapidly induced stress, fission, and positive curvature in giant unilamellar vesicles’ membranes when submitted to acidic conditions. The membrane dynamics was confirmed by dynamic light scattering and calcein leakage experiments. Remarkably, these phenomena were also observed when switchable lipids were embedded into a hybrid polymer/lipid membrane, providing pH-sensitive properties to hybrid vesicles. To the best of our knowledge, this is the first time a pH-sensitive hybrid vesicle is reported. Our findings corroborate with the applicability of switchable LNP as siRNA delivery agents for cancer treatment through survivin silencing, especially as an adjuvant to chemotherapy. The biophysical investigation revealed that the switchable lipids act on the membrane fluidity, specifically at acidic pH. This pH selectivity guarantees their biocompatibility at neutral pH as well as its efficient and quick release of their cargo at acidic pH. Their compatibility with hybrid polymer/lipid vesicles opens new applications in biomimetic vesicles and drug delivery.