Le cancer colorectal (CCR) est l’un des cancers les plus diagnostiqués dans le monde mais surtout le 2ème cancerle plus mortel. Malgré les progrès de la recherche médicale dans les traitements anticancéreux, de nombreux effetssecondaires subsistent chez les patients ainsi que l’apparition de résistances aux traitements conventionnels. Ledéveloppement de nouvelles stratégies thérapeutiques anticancéreuses est donc nécessaire afin d’améliorer la priseen charge de ces patients. La thérapie photodynamique (PDT) utilisant des photosensibilisateurs (PS) se présentecomme une stratégie thérapeutique innovante limitant fortement ces effets secondaires indésirables. La PDT a étéapprouvée pour le traitement de certains cancers grâce à la génération d’espèces réactives de l’oxygènecytotoxiques uniquement après photoactivation des PS. Cependant, une faible solubilité et un manque de sélectivitédes PS vis à vis des sites tumoraux sont les principales limites en clinique. En effet, l’administration ciblée demédicaments est un point essentiel dans la thérapie anticancéreuse. La nanomédecine par l’utilisation denanoparticules permet d’améliorer le ciblage tumoral car elles sont capables de s’accumuler spontanément dansles tumeurs solides grâce à l’effet de perméabilité et de rétention accrue. L’objectif de cette étude a été dedémontrer l’intérêt de la vectorisation de la 5-(4-hydroxyphényl)-10,15,20-triphénylporphyrine-xylane (TPPOHX)sur des nanoparticules de silice (SNPs) afin d’augmenter l’efficacité anticancéreuse par un meilleur ciblagetumoral du traitement. Il a été démontré une augmentation significative de l’efficacité anticancéreuse des TPPOHXSNPs-PDT grâce à l’amélioration de l’internalisation cellulaire par rapport à la TPPOH libre-PDT sur 3 lignéescellulaires de CCR humain. De plus, il a été caractérisé que la mort cellulaire induite par les TPPOH-X SNPs-PDTest dépendante de la voie apoptotique et que l’autophagie joue un rôle de résistance à la mort cellulaire. Par ailleurs,in vivo et en l’absence de toxicité, les TPPOH-X SNPs-PDT induisent une augmentation de l’efficacitéanticancéreuse grâce à un meilleur ciblage tumoral par rapport à la TPPOH libre-PDT. Cette étude a donc permisde démontrer l’intérêt de la combinaison de la PDT et de la nanomédecine afin d’améliorer les futurs traitementsanticancéreux. / Colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancer globally but above all the second leading cause ofdeath for oncological reasons. Despite medical research advances in anti-cancer treatments, many side effectspersist in patients as well as development of resistances to conventional treatments. The development of new anticancertherapeutic strategies is necessary in order to improve care of patients. Photodynamic therapy (PDT) usingphotosensitizers (PS) comes as an innovative therapeutic strategy severely restricting these undesirable sideeffects. PDT has been approved for treatment of some cancers due to the generation of cytotoxic reactive oxygenspecies only with photoactivated PS. However, low physiological solubility and lack of selectivity towards tumorsites are the main limitations of their clinical use. Indeed, targeted drug delivery is a crucial point in cancer therapy.Nanomedicine through the use of nanoparticles improves tumor-targeting because they are able to spontaneouslyaccumulate in solid tumors through an enhanced permeability and retention effect. The purpose of this study wasto prove added value of 5-(4-hydroxyphenyl)-10,15,20-triphenylporphyrin-xylan (TPPOH-X) vectorization bysilica nanoparticles (SNPs) in order to enhance anti-cancer efficacy through better tumor-targeting. It has beendemonstrated significant anti-cancer efficacy increase of TPPOH-X SNPs-PDT thanks to cellular uptakeimprovement relative to free TPPOH-PDT in 3 human CRC cell lines. Moreover, it has been characterized thatcell death induced by TPPOH-X SNPs-PDT is conducted via apoptosis and autophagy acts as a resistance pathwayto cell death. Furthermore, in vivo and without toxicity, TPPOH-X SNPs-PDT induce an elevated anti-cancerefficacy through improvement of tumor-targeting compared to free TPPOH-PDT. This study therefore highlightedthe added value of PDT and nanomedicine combination in order to improve future cancer treatments.

Les travaux présentés dans ce manuscrit abordent l’étude de deux familles distinctes de molécules photoactivables induisant des processus biologiques différents sous excitation 2-photon : les triphénylamines (TPAs) et les Nanotriggers de deuxième génération (NTs). Les TPAs présentent un grand intérêt pour la thérapie photodynamique (PDT) 2-photon, grâce à leur section efficace d’absorption 2-photon élevées (325-764 GM) et leur capacité à induire la mort cellulaire, médiée par la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) sous excitation 1- ou 2-photon. De plus, leur forte fluorescence permet d’imager la mort cellulaire grâce à un comportement singulier dans les cellules : les TPAs sont initialement localisés dans le cytoplasme des cellules vivantes, principalement au niveau mitochondrial, mais se re-localisent dans le noyau des cellules en apoptose. Les NTs de deuxième génération ont été conçus suivant le modèle de NT1, le premier Nanotrigger synthétisé. Leur structure générale a été conceptualisée pour se fixer à la protéine NO synthase (NOS) et générer un potentiel redox élevé uniquement sous excitation lumineuse, initiant ainsi un transfert d’électron à travers la NOS aboutissant à une production de NO. Les structures chimiques des sept molécules nouvellement synthétisées diffèrent à plusieurs niveaux. Cette étude a permis d’identifier, parmi les sept NT de deuxième génération, deux molécules ayant la capacité de pénétrer dans les cellules endothéliales, de cibler la eNOS et d’initier le transfert d’électron à travers la eNOS sous excitation 1- ou 2-photon. Les expériences réalisées au cours de cette thèse sur les deux familles de composés, ont également permis de mettre en évidence les relations entre la structure des molécules et les différents mécanismes induits par leur photo-activation. / The presented works in this manuscript approach the study of two distinct families of photoactivatable molecules that induce different biological processes under 2-photon excitation : triphenylamines (TPAs) and second generation Nanotriggers (NTs). TPAs present a great interest for 2-photon photodynamic therapy (PDT), thanks to their high 2-photon absorption cross-sections (325-764 GM) and their ability to induce cell death mediated by reactive oxygen species (ROS) production under 1- or 2-photon excitation. Moreover, their high fluorescence allows the imaging of cell death due to their particular behaviour in cells: TPAs initially localize in the cytoplasm of living cells, but translocate to the nucleus of apoptotic cells. Second generation NTs were designed based on the model of NT1, the first synthesized Nanotrigger. Their general structure has been designed to bind to the NO Synthase protein (NOS) and generate a high redox potential under excitation only, leading to the initiation of the electron flow through the protein and resulting in NO production. The chemical structures of the seven newly synthesized molecules differ on many levels. This study has identified, among the seven second generation NTs, two molecules which are able to penetrate in endothelial cells, target eNOS and initiate the electron transfer at the eNOS level under 1- or 2-photon excitation. The experiments presented in this thesis allowed to establish structure-activity relationships for each compound family regarding the different mechanisms induced by their photoactivation.

L'avancée technologique dans les nanosciences a permis le développement d'une large gamme de matériaux nanostructurés aux applications biomédicales. Ces outils, constitués de matériaux différents, ont été développés à des fins de diagnostic et de thérapie pour réaliser notamment le ciblage, le marquage cellulaire, l'imagerie médicale et pour concevoir des systèmes de délivrance de médicaments pour le traitement de cancers ou de maladies infectieuses. La création de nano-objets regroupant l'ensemble de ces propriétés de type théranostique constitue une étape essentielle vers un traitement personnalisé et non invasif des cancers solides de petite taille. Dans cette thèse, une première partie est consacrée à la mise au point et à l'utilisation de nanoparticules de silice mésoporeuse pour le traitement des rétinoblastomes. Ce travail visait à améliorer la thérapie photodynamique en augmentant la biodisponibilité de molécules actives dans les cellules cancéreuses par deux stratégies : leur vectorisation par un nano-objet et le ciblage spécifique des cellules cancéreuses. Pour cela, les profils d'expression des récepteurs du mannose ont été analysés et les récepteurs MRC2 et CD209 se sont révélés être de bons candidats pour une thérapie ciblée du rétinoblastome. La deuxième partie des recherches réalisées s'oriente vers l'élaboration de différents nanosystèmes pour le traitement des cancers et l'imagerie médicale. Premièrement, des nanotransporteurs de principe actif à relargage pH-sensible, structurés à partir de nanoparticule de silice mésoporeuse, ont été étudiés. Ces systèmes de délivrance, sous l'effet de stimuli internes, se sont révélés être très efficaces in vitro et ex vivo pour le traitement du cancer du côlon. Deuxièmement, le potentiel de délivrance contrôlée de molécules anticancéreuses renfermées dans des nanomachines soumises à une activation externe biphotonique, a été démontré sur des cellules de cancer du sein. Enfin, les propriétés de nanoparticules magnétiques de polymères de coordination cyano-pontés se sont révélées très prometteuses pour une utilisation en tant que nouvel agent de contraste intravasculaire pour l'imagerie par résonance magnétique in vivo. / The technological advance in nanoscience has allowed the development of a wide range of nanostructured materials for biomedical applications. These tools, composed of different materials, have been developed for diagnosis and therapy, in particular to achieve targeting, cellular labeling, medical imaging and to design drug delivery systems for the treatment of cancer or infectious diseases. The elaboration of nano-tools possessing these theranostic properties would be a major step towards personalized and non-invasive treatments of small solid cancers.In this thesis, the first part is devoted to the development and the application of mesoporous silica nanoparticles for the treatment of retinoblastoma. The aim of this work was to improve photodynamic therapy by increasing the bioavailability of active molecules in cancer cells following two strategies: their vectorization through nanodevice and the specific targeting of cancer cells. For this, expression profiles of mannose receptors were analyzed and both MRC2 and CD209 receptors were found to be interesting candidates for targeted therapy of retinoblastoma.The second part corresponds to a multidisciplinary approach focused on the research of different nanosystems designed for cancer treatment and medical imaging. We first studied pH-operated hybrid silica nanocarriers designed for drug release. Under internal stimuli, these delivery systems have shown to be very efficient in vitro and ex vivo against colon cancer. Then, we demonstrated the potential of nanoimpellers designed for anticancer drug delivery mediated by external two-photon activation on breast cancer cells. Finally, we report the promising use in vivo of new magnetic cyano-bridged coordination polymer nanoparticles as an efficient intravascular magnetic resonance imaging contrast agent.

Le traitement photodynamique antimicrobien (acronyme anglais APDT) est apparu comme une solution alternative pour lutter contre les microorganismes multi-résistants. Cette méthode basée sur l'utilisation de photosensibilisateurs dont les porphyrines, fonctionne aussi contre les agents pathogènes des plantes ce qui nous a conduit à proposer une approche de type APDT dans le domaine de l’agriculture. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au côté « vert » de la mise en place de cette approche en réalisant une étude approfondie sur des plantules de deux espèces végétales: Arabidopsis thaliana et Lycopersicum esculentum (tomate) et sur une suspension cellulaire de tabac (TBY-2). Des porphyrines anioniques et cationiques hydrosolubles ont été testées. Nous avons montré qu’aucune de ces porphyrines testées à forte concentration (⩾ 80 μM) n’était cytotoxique à l’obscurité sur les plantules ou la suspension. Par contre sous photopériode (16h), les porphyrines cationiques testées à faible concentration (3,5 μM) se sont révélées létales pour les plantules d’Arabidopsis alors qu’elles n’ont fait que ralentir la croissance des plantules de tomate. Etonnamment, les porphyrines anioniques même testées à forte concentration n’ont pas (ou très peu) induit d’altérations de croissance des plantules. Cette situation se trouve inversée dans les cellules TBY-2 qui sont beaucoup plus sensibles aux porphyrines anioniques photoactivées qui induisent leur mort par apoptose. Ce modèle cellulaire nous a permis de comprendre i) les mécanismes d'interaction porphyrines anioniques avec la paroi cellulaire et ii) quels mécanismes étaient mis en place dans les cellules en réponse au stress photodynamique. En conclusion, ces études préliminaires sur le végétal laissent sérieusement entrevoir la possibilité de développer l’APDT en agriculture ciblée aux pathogènes de plantes et sans effet notable sur les plantes d’intérêt agronomique et les microorganismes du sol. / Antimicrobial photodynamic treatment (APDT) has emerged as an alternative modality to strive against multidrug-resistant microorganisms. This method, based on the use of photosensitizers including porphyrins, has also shown substantial efficiency to kill plant pathogens. This led us to propose an APDT approach in the field of agriculture. During this thesis work, we were interested in the "green" side of this approach. Thus, we performed an in-depth study on two plant species: Arabidopsis thaliana and Lycopersicum esculentum (tomato) and on Tobacco Bright Yellow-2 suspension culture (TBY-2 cells) using anionic and cationic water-soluble porphyrins. We have shown that none of these porphyrins tested at high concentration (⩾ 80 μM) was cytotoxic on plantlets or suspension cells under dark conditions. On the other hand, the cationic porphyrins tested at low concentration (3.5 μM) were lethal for Arabidopsis while they only slowed the growth of tomato plantlets under 16 h photoperiod. Surprisingly, the same anionic porphyrins tested at high concentrations did not induce growth alterations of both plantlets. This situation is reversed in TBY-2 cells, which are much more sensitive to photoactivated anionic porphyrins that induce apoptosis-like cell death. TBY-2 cells allowed to understand i) the interactions of anionic porphyrins with the cell wall and ii) the induced cellular and molecular mechanisms in response to photodynamic stress. In conclusion, these preliminary studies on the plants and plant cells suggest the possibility of developing APDT in agriculture. It will be targeted to plant pathogens without any side effects on plants of agronomic interest and soil microorganisms.

Les molécules chirales représentent environ 60% des médicaments présents sur le marché pharmaceutique et plus de 80% des médicaments en développement avec plus de 150 milliards de dollars de chiffre d’affaire pour l’année 2002. Les intermédiaires chiraux sont fortement demandés dans l’industrie pharmaceutique atteignant 15 milliards de dollars de chiffre d’affaire en 2009. D’autres domaines en sont demandeurs avec une répartition d’environ 15% dans l’agrochimie et 5% pour la parfumerie. L’obtention de composés d’intérêt pharmaceutique de façon asymétrique est un réel défi et une réelle nécessité. Ces molécules possèdent une architecture spatiale qui entraîne des interactions spécifiques et des affinités particulières avec les enzymes ou des récepteurs biologiques chiraux. L’utilisation de catalyseurs pour accéder à des composés organiques chiraux et plus précisément l’oxydation d’alcanes prochiraux ou d’oléfines constitue un domaine en essor ces dernières décennies. Pour parvenir à synthétiser des molécules chirales, l’industrie pharmaceutique s’est tournée vers l’utilisation de biocatalyseurs en partie pour réaliser différentes réactions stéréo-contrôlées avec la nécessité de séparer les mélanges racémiques par résolution enzymatique. Cependant, les biocatalyseurs présentent un inconvénient majeur qui est généralement le faible rendement en composé chiral recherché et nécessite un savoir faire pour la manipulation de ces enzymes. Les métalloporphyrines sont des catalyseurs comportant un macrocycle tétrapyrrolique et différentes fonctionnalisations en positions méso. Ces molécules ont fait l’objet de nombreuses études qui ont conduit à la synthèse de métalloporphyrines chirales très complexes. Malheureusement, leur synthèse est souvent longue avec de faibles rendements et leur application à un nombre limité de substrats ne permet pas leur généralisation. Ce travail de thèse, développé pour la première fois au laboratoire, s’inscrit dans le cadre d'un contrat CIFRE, dans le but de parvenir à la synthèse de porphyrines chirales facilement accessibles, applicables dans des réactions d’oxydation énantiosélectives efficacement (stabilité). Le premier objectif visé est la synthèse de porphyrines chirales dont la structure ciblée comporte des groupements hétérocycliques azotés chiraux en position méso, reliés par une liaison carbone-hétéroatome (C-N). Nous avons pu atteindre 4 séries de porphyrines qui ont été évaluées dans des réactions d’oxydation énantiosélectives (époxydation, hydroxylation). Le deuxième objectif visé est d’exploiter les propriétés électroniques particulières des porphyrines permettant l’application des porphyrines en tant que photosensibilisant après photoactivation en thérapie anticancéreuse. L’étude des paramètres physiques est primordiale pour déterminer la longueur d’onde d’activation et le rendement quantique. Nous avons souhaité utiliser nos porphyrines et leurs précurseurs en tant qu’agents antiparasitaires, sans photoactivation dans un premier temps, conduisant à la découverte d’activités très intéressantes sur certaines espèce de leishmanies. Enfin, leur application sur P. falciparum nous a permis d’isoler une molécule avec une activité très intéressante. Dans les deux cas, des manipulations avec photoactivation sont en cours. / Chiral molecules represent about 60% of drugs in pharmaceutical market and over 80% of drugs in development with more than 150 billion dollars in 2002. Chiral intermediates are in high demand in the pharmaceutical industry producing a turnover of 15 billion dollars in 2009. Other areas are seekers of chiral molecules with a distribution of about 15% in agrochemicals and 5% for the perfume. Asymmetrically production of compounds of pharmaceutical interest is a real challenge. These molecules have a spatial architecture that results in specific interactions and affinity with the enzymes or biological chiral receptors. The use of catalysts to synthesis chiral organic compounds, and more specifically to oxidize alkenes and alkanes having prochiral positions, is a very important area extensively studied in recent decades with few positive results. To achieve the synthesis of chiral molecules, the pharmaceutical industry has turned to the use of biocatalysts, in part, to perform various stereo-controlled reactions with systematically followed by separation of the different isomers by different methodes. However, biocatalysts have a major disadvantage relative to low yields of chiral compound and requires expertise for handling these enzymes. Metalloporphyrins are tetrapyrrolic macrocyle substituted in meso position with various functional groups and incorporating metals (Fe, Mn, Co, Ru). These molecules have been extensively studied and led to the synthesis of many complex chiral metalloporphyrins. Unfortunately, their synthesis is often long with low yields and their application to a limited number of substrates is a major drawback. The first objective of this work is the synthesis of original chiral porphyrins. The targeted structure contains chiral heterocyclic nitrogen groups in two meso positions, connected by a carbon-heteoatom bond (C-N). We were able to reach 4 porphyrins-series that have been evaluated as catalyst in oxidation reactions (epoxidation, hydroxylation). The second objective is to take advantage of specific electronic properties of porphyrins for applications as photosensitizer after photoactivation for cancer by photodynamic therapy. The use of this therapy increased during last decades but poor specificity and solubility of the different porphyrins used in clinic against many cancers prompt us to investigate this area. The study of the physical parameters is essential to determine wavelength activation and quantum yield of a photosensitizer. We wanted to use our porphyrins and their precursors as antiparasitic agents, with and without photoactivation against L. donovani, L. major, T. brucei brucei. Malaria is caused by a protist of the genus of Plasmodium. This parasite has an iron deficiency on one hand and cannot biosynthesize certain amino acids. Strucure analogy of porphyrins with heme led us to evaluate antimalarial activity of several porphyrins against P. falciparum.

La thérapie photodynamique (PDT) appliquée aux tumeurs cérébrales est évaluée comme une stratégie complémentaire par rapport aux thérapies conventionnelles. De nombreux travaux mettent en exergue le rôle prépondérant joué par l'effet vasculaire de la PDT dans l'éradication tumorale. Ainsi, une accumulation sélective du photosensibilisateur au niveau des néo-vaisseaux tumoraux favorise cet effet et donc, l'efficacité du traitement photodynamique. La stratégie vasculaire consistant à coupler un photosensibilisateur à un peptide ligand pour cibler le récepteur neuropiline-1 (NRP-1) surexprimé par les cellules endothéliales angiogéniques a été validée, démontrant également l'induction de l'expression du facteur tissulaire immédiatement après PDT. Grâce à l'utilisation de nanoparticules multifonctionnelles, des améliorations ont été apportées à la stratégie initiale pour une PDT interstitielle (iPDT) guidée par l'imagerie. Fonctionnalisées par le peptide ligand, vecteur du photosensibilisateur et d'un agent de contraste puis rendues furtives, les nanoparticules sélectionnées présentent les propriétés originales requises pour une action combinée en IRM et PDT ciblée. Les nano-objets sont affins pour NRP-1 et conservent leur caractéristique photo-activable. Les essais sur rats nude xénogreffés en orthotopique par un modèle de gliome malin humain, valident la faisabilité du concept de iPDT guidée par l'IRM en temps réel. Après injection des nanoparticules par voie intraveineuse, un rehaussement positif du signal IRM est observé au niveau de la zone tumorale pour optimiser l'implantation de la fibre optique. Les résultats obtenus par IRM de perfusion et, l'expression protéique de NRP-1 au niveau du tissu et des berges tumorales, valident la sélectivité des nanoparticules fonctionnalisées. La combinaison des techniques d'imagerie non-invasives (IRM, SRM, TEP/CT) a permis le suivi thérapeutique / Photodynamic therapy (PDT) for brain tumors appears to be complementary to conventional treatments. Number studies show the major role of the vascular effect in the tumor eradication by PDT. To promote this vascular effect, a selective targeting of neuropilin-1 (NRP-1), mainly over-expressed by tumor angiogenic vessels, was investigated using a photosensitizer coupled to a ligand peptide. We validated the interest of using this active-targeting strategy to promote this vascular effect by the induction of tissue factor expression immediately post-PDT. For interstitial PDT (iPDT) of brain tumors guided by real-time imaging, multifunctional nanoparticles consisting of a surface-localized tumor vasculature targeting NRP-1 and encapsulated PDT and imaging agents, have been developed. The selected nanoparticles are favourable to a photosensitizer targeting strategy for iPDT combined with MRI.Characterization studies of the nanoparticles reveal a photodynamic efficiency and demonstrate a molecular affinity of the functionalized nanoparticle to NRP-1 target. After intravenous injection of the multifunctional nanoparticles into rats with intracranial glioma, we demonstrate a positive contrast enhancement of the tumor tissue by MRI, allowing the optimization of the optical fiber implantation. Perfusion MRI data and NRP-1 protein expression of the tumor and brain adjacent to tumor tissues check selectivity of the functionalized nanoparticle. The combination of non-invasive techniques of imaging (MRI, MRS, PET/CT) validates this concept of iPDT guided by MRI

Les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) sont des pathologies incurables et de surcroit associées à un risque élevé de cancer colorectal (CCR). Les thérapies actuellement disponibles pour le traitement des MICI et la prévention du CCR associé, sont loin d’être optimales. Récemment la thérapie photodynamique (PDT) utilisant de faibles doses de photosensibilisateur et/ou de lumière, appelée alors LDPDT (Low dose-PDT), est apparue comme une nouvelle modalité de traitement pour des pathologies inflammatoires telles que le psoriasis ou l’arthrite rhumatoïde. Dans cette étude, nous avons évalué sur modèles murins l’effet thérapeutique de la LDPDT à l’aide d’une formulation liposomale de mTHPC (méta-tetra-hydroxyphenylchlorine, connu sous le nom de Foslip®), dans le traitement des MICI et la prévention du CCR. Des analyses endoscopiques, macroscopiques et histologiques ont été réalisées et le taux de myéloperoxidase (MPO) au sein de la muqueuse colique a été quantifié par test ELISA. L’expression des cytokines a été quantifiée par RT-PCR, la perméabilité de la barrière intestinale a été évaluée par immuno-marquage et une analyse du microbiote intestinal a été effectuée par pyrosequençage. La LDPDT-Foslip® a significativement réduit la sévérité de la colite en supprimant l’inflammation intestinale notamment par diminution des cytokines pro-inflammatoires et suppression de l’infiltration par les neutrophiles. Elle a également permis de corriger la perméabilité de la barrière intestinale. De plus, la LDPDT-Foslip® a clairement démontré un effet préventif sur le développement du cancer colorectal en supprimant l’inflammation chronique et en corrigeant la dysbiose. En conséquence, la LDPDT-Foslip® pourrait être considérée comme une nouvelle modalité de traitement pour supprimer l’inflammation intestinale et prévenir le développement du cancer colorectal chez les patients atteints de MICI / Inflammatory bowel diseases (IBD) are chronic, incurable diseases associated with a high risk of colorectal cancer. Currently available therapies for the treatment of IBD and CRC prevention are far from optimal. Recently, photodynamic therapy (PDT) using low doses of photosensitizer and/or light, called LDPDT (Low-dose PDT) has emerged as a new treatment modality for inflammatory diseases such as psoriasis or rheumatoid arthritis. In this study, we assessed the therapeutic effect of LDPDT using a liposomal formulation of mTHPC (meta-tetra-hydroxyphenylchlorin, called Foslip®) in the mouse model for the treatment of IBD and prevention of CRC.Endoscopic, macroscopic and histological analyzes were performed and the rate of myeloperoxidase (MPO) in the colonic mucosa was quantified by ELISA. Cytokine expressions were quantified by RT-PCR, the permeability of the intestinal barrier was evaluated by immunolabeling and intestinal microbiota analysis was done by pyrosequencing. LDPDT-Foslip® significantly reduced colitis severity by suppressing intestinal inflammation including reduction of proinflammatory cytokines and suppression of neutrophil influx. Moreover, LDPDT restores the integrity of the intestinal barrier. In addition, LDPDT-Foslip® has clearly demonstrated a preventive effect on colorectal cancer development by suppressing chronic inflammation and changing the composition of intestinal microbiota. Accordingly, LDPDT-Foslip® could be considered as a new treatment modality to abrogate intestinal inflammation and prevent the development of colorectal cancer in patients with IBD

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des cancers prometteuse, mettant en jeu une action combinée de l’oxygène moléculaire, de la lumière et d’un photosensibilisateur (PS). Néanmoins, les PSs utilisés souffrent d’une faible solubilité dans les milieux aqueux ainsi que d’un tumorotropisme limité qui sont des barrières à la réussite du traitement. Ainsi, actuellement, une attention particulière est portée au développement de nanoparticules (NPs) capables de pallier les défauts des PSs. Notre travail a consisté à étudier des dendrimères poly(amidoamine) (PAMAM), macromolécules polymériques tridimensionnelles, conjugués via une liaison covalente au PS, la Chlorine e6 (Ce6). Cette construction nous a permis de vectoriser 32 molécules de Ce6 par dendrimère. La production d’oxygène singulet et l’émission de fluorescence ont été modérément affectées par le greffage covalent de la Ce6 aux NPs. In vitro, les dendrimères PAMAM ont permis d’accroitre l’efficacité PDT de la Ce6 en potentialisant son internalisation cellulaire via un mécanisme actif d’endocytose. Néanmoins, l’efficacité PDT des NPs est limitée par la concentration locale élevée en Ce6 en périphérie des dendrimères qui réduit son rendement quantique en oxygène singulet moléculaire, espèce cytotoxique. Une libération de la Ce6 permettrait ainsi de potentialiser l’efficacité PDT des NPs en restaurant notamment les propriétés photophysiques de la Ce6. La suite de ce travail a été de concevoir une NP capable de libérer la Ce6 sous l’action d’estérases retrouvées dans les cellules. Leur caractérisation a permis de démontrer en solution que les propriétés photophysiques de la Ce6 étaient rétablies à la suite de son relargage des NPs. Cette dernière construction clivable est prometteuse pour de futures applications en PDT / Photodynamic therapy (PDT) is a modality of cancer treatment, involving a combined action of molecular oxygen, light and photosensitizers (PS). However, the PSs suffer from a low solubility in aqueous media and limited tumor accumulation, diminishing the treatment success. Presently, particular attention is paied to the development of dendrimer-based nanoparticles (NP) that are able to overcome the shortcomings of the PSs. The present study investigates the poly(amidoamine) dendrimer (PAMAM), a tridimensional polymeric macromolecule, covalently functionalized with the PS Chlorin e6 (Ce6). The singlet oxygen generation efficiency and fluorescence emission were moderately affected by the covalent binding of the Ce6 to the dendrimer. This construction allows the vectorization of 32 Ce6 molecules per dendrimer. In vitro, PAMAM dendrimers improve the PDT efficiency of Ce6 by promoting their cellular internalization via an active endocytosis mechanism. However, the PDT efficiency of NPs is limited by the high local concentration of Ce6 at the periphery of dendrimers decreasing production of singlet oxygen. Ce6 release could restore Ce6 photophysical properties and as such improve the PDT efficiency of NP. Thus, the next step of this work was to design a cleavable NP able to release the Ce6 under esterase activity. In solution the NP characterization demonstrated that the photophysical properties of Ce6 were recovered after their release from the NP. This cleavable construction displays promising perspectives for future PDT applications

Les limitations rencontrées aujourd'hui dans le traitement du glioblastome (GBM) concernent notamment la qualité de l'exérèse dont dépend le pronostic et le manque de contrôle local de la croissance tumorale, sachant que les récidives apparaissent dans plus de 80% des cas dans le volume cible de radiothérapie. Dans ce contexte, la thérapie photodynamique interstitielle (iPDT) se présente comme un outil complémentaire prometteur qui permettrait d'améliorer le contrôle local de la tumeur. La première partie de ce travail de thèse a porté sur le suivi longitudinal par Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de la réponse tumorale post-iPDT sur un modèle de rat nude xenogreffé en orthotopique par un modèle de GBM humain. Le suivi par IRM et Spectroscopie par Résonance Magnétique (SRM) a fourni des indicateurs précoces de l'efficacité du traitement, permettant de discriminer dès un jour post-iPDT les animaux répondeurs des non-répondeurs. Cependant, une des limitations de la PDT, demeure la faible profondeur de pénétration de la lumière visible utilisée pour activer le photosensibilisateur et induire les réactions de photo-oxydations. La seconde partie de ce travail a porté sur l'évaluation d'un nouveau concept appelé "PDTX" permettant de coupler l'effet photodynamique à celui de la radiothérapie pour une radiothérapie photodynamique, en jouant notamment sur la complémentarité des espèces réactives de l'oxygène générées et des effets RX-induits. Pour cela, nous avons validé l'intérêt d'une nanoparticule hybride de type AGuIX® composée de terbium et de porphyrine, le terbium étant le scintillateur capable d'être excité par les rayons X et d'émettre des photons à une longueur d'onde appropriée pour activer le photosensibilisateur. Le transfert d'énergie par FRET (Förster Resonance Energy Transfer) entre le terbium et la porphyrine a été mis en exergue. Les résultats in vitro démontrent le potentiel thérapeutique de ce nouveau nano-objet à basse énergie / The limitations encountered today in the treatment of glioblastoma (GBM) involve the quality of the resection on which depends prognosis and the lack of local control of the tumor, knowing that relapses occur in 80% of cases in the radiotherapy target tumor volume. In this context, interstitial photodynamic therapy (iPDT) is a promising additional tool that would allow to improve local control of the tumor. The first part of this thesis focused on the longitudinal follow-up by Magnetic Resonance Imaging (MRI) of the post-iPDT tumor response in a nude rat model of orthotopic xenograft of human GBM cell line. MRI and Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) monitoring provided early indicators of the effectiveness of treatment, for discriminate from one day post-IPDT non-responders from responders animals. However, one of the limitations of PDT remains the low penetration of visible light used to activate the photosensitizer and induce reactions of photo-oxidation. This is why the second part of this research focused on the evaluation of a new concept called "PDTX" for coupling the photodynamic effect with radiotherapy effect for a photodynamic radiotherapy, playing especially on the complementarity of reactive species of oxygen generated and RX-induced effects. For this, we validated the interest of an AGuIX®-type hybrid nanoparticle composed of terbium and porphyrin, terbium being the scintillator capable of being excited by X-rays and emits photons at an appropriate wavelength in order to activate the photosensitizer. The energy transfer FRET (Förster Resonance Energy Transfer) between terbium and porphyrin was highlighted. In vitro results demonstrate the therapeutic potential of this new nano-object at low-energy

La thérapie photodynamique (PDT) est un traitement médical destiné à certains types de cancer. Elle utilise un agent photosensibilisant qui se concentre dans les tissus pathologiques est qui sera. Cet agent est ensuite activé par une lumière d'une longueur d'onde précise produisant, après une cascade de réactions, des espèces réactives de l'oxygène qui endommagent les cellules cancéreuses.Cette thèse aborde les analyses d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres du modèle dynamique non linéaire retenu.Après avoir précisé différents cadres d'analyse d'identifiabilité, nous nous intéressons plus particulièrement à l'identifiabilité a posteriori, pour des conditions expérimentales fixées, puis à l'identifiabilité pratique, prenant en plus en compte les bruits de mesure. Pour ce dernier cadre, nous proposons une méthodologie d'analyse locale autour de valeurs particulières des paramètres. En ce qui concerne l'identifiabilité des paramètres du modèle dynamique de la phase photocytotoxique de la PDT, nous montrons que parmi les dix paramètres localement identifiables a posteriori, seulement l'un d'entre eux l'est en pratique. Néanmoins, ces résultats locaux demeurent insuffisants en raison des larges plages de variation possibles des paramètres du modèle et nécessitent d'être complétés par une analyse globale.Le manque de méthode visant à tester l'identifiabilité globale a posteriori ou pratique, nous a orientés vers l'analyse de sensibilité globale de la sortie du modèle par rapport à ses paramètres. Une méthode d'analyse de sensibilité globale fondée sur l'étude de la variance a permis de mettre en évidence trois paramètres sensibilisants.Nous abordons ensuite les liens entre les analyses globales d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres, en employant une décomposition de Sobol'. Nous montrons alors que les liens suivants existent : une fonction de sensibilité totale nulle implique un paramètre non-identifiable; deux fonctions de sensibilité colinéaires impliquent la non-identifiabilité mutuelle des paramètres en question ; la non-injectivité de la sortie par rapport à un de ses paramètres peut aussi entrainer la non-identifiabilité du paramètre en question mais ce dernier point ne peut être détecté en analysant les fonctions de sensibilité uniquement. En somme, la détection des paramètres non globalement identifiables dans un cadre expérimental donné à partir de résultats d'analyse de sensibilité globale ne peut être que partielle. Elle permet d'observer deux (sensibilité nulle ou négligeable et sensibilités corrélées) des trois causes de la non-identifiabilité / Photodynamic therapy (PDT) is a treatment of dysplastic tissues such as cancers. Mainly, it involves the selective uptake and retention of the photosensitizing drug (photosensitizer, PS) in the tumor, followed by its illumination with light of appropriate wavelength. The PS activation is thought to produce, after multiple intermediate reactions, singlet oxygen at high doses (in the presence of molecular oxygen) and thereby to initiate apoptotic and necrotic death of tumor. The PDT efficiency stems from the optimal interaction between these three factors: photosensitizing agent (its chemical and photobiological properties), light (illumination conditions) and oxygen (its availability in the target tissue). The relative contribution of each of these factors has an impact on the effectiveness of treatment. It is a dynamic process and the objective of the thesis is to characterize it by a mathematical model. The points raised relate primarily to the determination of a dynamic model of the photodynamic phase (production of singulet oxygen), to the global analyses of identifiability and sensitivity of the parameters of the model thus built. The main difficulties of this work are the nonlinearity structure of the photophysical model, the large range of possible values (up to four decades) of the unknown parameters, the lack of information (only one measured variable over six state variables), the limited degrees-of-freedom for the choice of the laser light stimulus (input variable).Another issue concerns the links between the non-identifiability of parameters and the properties of global sensitivity functions. Two relationships between these two concepts are presented. We stress the need to remain cautious about the parameter identifiability conclusions based on the sensitivity study. In perspective, these results could lead to the development of new approaches to test the non-identifiability of parameters in an experimental framework