La bradykinine (BK) est une hormone peptidique libérée dans la circulation à partir des kininogènes. La BK est reconnue dans la littérature scientifique pour sa multitude d'effets pathologiques, mais elle exerce aussi un rôle protecteur dans diverses complications liées à l'ischémie cardiaque et des effets bénéfiques sur la circulation. Les effets potentiellement salutaires de la BK, soit le relâchement de monoxyde d'azote et de plasminogène de type tissulaire entrainant une vasodilatation, semblent être causés par une activation sélective des récepteurs B2 (B2R) endothéliaux. Nous avons émis comme hypothèse qu'il était faisable de stimuler sélectivement et durablement le récepteur B2R pour ses effets bénéfiques en utilisant une variété de ligands (résistants à des peptidases ou types pro-drogues prolongés à partir de la séquence originale de la BK). Nos objectifs spécifiques sont de vérifier l'effet de ceux-ci in vivo en mesurant des paramètres hémodynamiques et leur intensité (fréquence cardiaque, pression artérielle, signal Doppler). Des rats mâles de souche Sprague-Dawley ont été anesthésiés et deux cathéters (un dans la veine jugulaire pour l'administration des drogues en bolus (courbes doses-réponses), et l'autre dans l'artère fémorale pour la mesure des paramètres) ont été implantés. L'injection de BK provoque des épisodes hypotenseurs transitoires de courte durée. La convertase de l'angiotensine (ECA) domine dans le milieu extracellulaire du système vasculaire comme voie de dégradation principale de la BK. En présence d'énalaprilate (inhibiteur de l'ECA), la puissance de l'effet hypotenseur de la BK est augmentée de 15X. Les séquences prolongées en C-terminal régénèrent de la BK via l'action de peptidases spécifiques (clivage). Les pro-drogues libérant BK progressivement via l'activité de peptidases vasculaires ont un profil intéressant comme potentiel traitement de l'hypertension. Le fardeau des effets indésirables de ces stratégies reste à clarifier pour le développement des agonistes du B2R comme médicaments.

Les cancers du sein sont un problème majeur de santé publique et le développement de nouveaux traitements demeure capital. À cet effet, notre groupe de recherche a développé une nouvelle famille de promédicaments antimitotiques nommés *N*-alkyle phénylimidazolidones (AIMZs) aussi appelés phényle 4-(2-oxo-3-alkylimidazolidin-1-yl)benzènesulfonates (PAIB-SOs). La structure moléculaire des AIMZs est constituée d'une chaîne alkyle, d'un groupement phénylimidazolidone et d'un pont sulfonate liant deux anneaux aromatiques (A et B). Leur mécanisme de bioactivation repose sur leur *N*-désalkylation *in situ* par le Cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) en puissants agents antimitotiques, les IMZs. Toutefois, les études de stabilité dans les microsomes de foie de souris ont montré une courte demi-vie ($t_\mathsf{1/2}$). Afin de pallier ce problème potentiel, nous avons proposé qu'il était possible de pharmacomoduler les AIMZs et d'améliorer leurs propriétés biopharmaceutiques en modifiant leur structure au niveau de leur pont sulfonate, de la longueur de leur chaîne alkyle et des groupements substituant leur anneau aromatique B. L'objectif de mon doctorat était donc de 1) étudier l'effet des modifications moléculaires sur leur activité biologique et 2) sélectionner 3 AIMZs prometteurs pour des études chez des modèles murins. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet de la modification du pont sulfonate des AIMZs par un groupement sulfonamide. Nos résultats montrent que les AIMZs portant un pont sulfonamide ont une activité antiproliférative dans la gamme de la centaine de nanomolaire jusqu'au bas micromolaire et une sélectivité envers les cellules MCF7 exprimant le CYP1A1. De plus, l'AIMZ **13**, le plus puissant de cette famille, induit un arrêt du cycle cellulaire en phase G2/M, une perturbation des microtubules et une bioactivation par le CYP1A1. Nos travaux montrent qu'il est possible de modifier le pont sulfonate des AIMZs par un pont sulfonamide, mais leur développement a été arrêté en raison de leur faible hydrosolubilité. Nous avons par la suite étudié l'effet d'homologuer la chaîne alkyle sur l'azote du groupement phénylimidazolidone. Nous avons premièrement étudié l'AIMZ le plus prometteur nommé CEU-818 portant une chaîne butyle. Le CEU-818 et son antimitotique correspondant *N*-désalkylé nommé CEU-602 ont été radiomarqués et administrés à des modèles murins. Nos résultats montrent qu'ils ont des temps de rétention tissulaire ≤ 6 h considérés trop courts pour engendrer un effet pharmacologique optimal en administrations intraveineuses dans ce modèle. Des AIMZs portant des chaînes alkyles plus longues ont donc été synthétisés afin d'améliorer leurs propriétés biopharmaceutiques. Les AIMZs portant une chaîne *n*-hexyle ou *n*-octyle ont peu ou pas d'activité biologique et sont peu hydrosolubles. Leur développement a donc été abandonné. Néanmoins, ceux porteurs d'une chaîne *n*-pentyle montrent une activité antiproliférative dans l'ordre du nanomolaire envers des cellules exprimant le CYP1A1. Les AIMZs **21**, **23**, **26**, **28** et **30** ont été sélectionnés en fonction de leur activité envers les cellules MCF7 (50-600 nM) et leur ratio de sélectivité (> 21). Ils arrêtent le cycle cellulaire en phase G2/M, perturbent les microtubules et sont bioactivés via le CYP1A1. L'essai de la membrane chorioallantoïque de l'embryon de poulet montre que les AIMZs **26** et **30** sont dépourvus de toxicité envers les embryons de poulet. Ils ont une activité antitumorale envers les cellules HT-1080 transfectées avec le CYP1A1 comparativement aux cellules HT-1080 de type sauvage et transfectées seulement avec le vecteur. Notre criblage a permis de sélectionner les AIMZs **21** (CEU-835), **23** (CEU-934) et **28** (CEU-938) pour des essais chez les souris, en écartant les composés **26** et **30** en raison de leur faible solubilité dans nos formulations pharmaceutiques. À cet effet, une méthode de détection par UHPLC-UV a été développée afin de quantifier ces AIMZs dans le plasma de souris. Nos travaux montrent que les administrations multi-intraveineuses des AIMZs dans le modèle murin sain n'engendrent pas de toxicité aiguë ou mi-chronique. De plus, les AIMZs **21**, **23** et **28** montrent un $t_\mathsf{1/2}$ respectivement de 8,1, 23,2 et 21,5 h. Finalement, ils induisent un arrêt de la croissance tumorale comparable au paclitaxel dans le modèle murin de xénogreffes MCF7. En conclusion, nos travaux montrent que les AIMZs sont conçus pour engendrer que peu ou pas d'effets indésirables comparativement aux agents antimicrotubules actuels. Les AIMZs sont donc une nouvelle famille de promédicaments antimitotiques puissants et prometteurs pour le développement d'une thérapie ciblée envers les cancers du sein exprimant le CYP1A1. / Breast cancers are a major public health problem, and the development of novel treatments remains a crucial issue. To this end, our research group develops a novel family of antimitotic prodrugs known as *N*-alkyl phenylimidazolidones (AIMZs) also named phenyl 4-(2-oxo-3-alkylimidazolidin-1-yl)benzenesulfonates (PAIB-SOs). The molecular structure of AIMZs is constituted by a short alkyl chain, a phenylimidazolidone group and a sulfonate bridge linking two aromatic rings (A and B). AIMZs exhibit a potent cytotoxic activity and are selective towards cytochrome P450 1A1 (CYP1A1)-expressing breast cancer cells. Their bioactivation mechanism is based on an *in situ N*-dealkylation by CYP1A1 into potent antimitotics known as phenylimidazolidones (IMZs) also named phenyl 4-(2-oxoimidazolidin-1-yl)benzenesulfonates. However, the stability analysis using mouse liver microsomes showed that AIMZs exhibit a short half-life ($t_\mathsf{1/2}$). To circumvent this potential issue, we proposed that it is possible to pharmacomodulate AIMZs and to improve their biopharmaceutical properties by modifying their structure on their sulfonate bridge, the length of their alkyl chain and the substituents on their aromatic ring B. The objective of my doctorate was therefore to 1) study the effect of the molecular modifications on their biological activity and 2) select 3 promising AIMZs for studies in murine animal models. We first studied the effects of the replacement of the sulfonate bridge by a sulfonamide moiety. The results show that AIMZs bearing a sulfonamide bridge exhibit an antiproliferative activity ranging from hundreds nanomolar to low micromolar and selectivity toward MCF7 cells expressing CYP1A1. Moreover, the most potent compound **13** of this subfamily of AIMZs induces a cell cycle arrest in the G2/M phase, a perturbation of microtubules and a bioactivation by CYP1A1. Our work evidences that it is possible to modify the sulfonate bridge of AIMZs by a sulfonamide but their development has been stopped due to their low hydrosolubility. We then studied the effect of the homologation of the alkyl chain substituted in the nitrogen atom of the phenylimidazolidone moiety. We first studied the most promising butyl-bearing AIMZ called CEU-818. CEU-818 and its corresponding *N*-dealkylated antimicrotubule agent named CEU-602 were radiolabeled and administered to murine models. Our results show that they exhibit tissular retention times of ≤ 6 h considered too short to have an optimal pharmacological effect in this model with intravenous administrations. AIMZs bearing longer alkyl chains were synthesized to improve their biopharmaceutical properties. *n*-Hexyl- and *n*-octyl-bearing AIMZs exhibit low or no biological activity and are weakly hydrosoluble. Their development was therefore abandoned. However, those carrying a *n*-pentyl chain exhibit antiproliferative activity in the nanomolar range toward CYP1A1-expressing cells. AIMZs **21**, **23**, **26**, **28** and **30** were selected due to their activity towards MCF7 cells (50-600 nM) and their selectivity ratio (> 21). They arrest the cell cycle progression in the G2/M phase, they disrupt microtubules and they are bioactivated via CYP1A1. The chorioallantoic membrane assay showed that AIMZs **26** and **30** are devoid of toxicity towards chick embryos. They exhibit an antitumoral activity toward CYP1A1-transfected HT-1080 cells (HT-1080$^\mathit{CYP1A1}$) as compared to HT-1080 wild-type and vector-transfected cells (HT-1080$^\mathit{empty}$). Our screening program allowed the selection of AIMZs **21** (CEU-835), **23** (CEU-934), and **28** (CEU-938) for studies in mice. To this end, an UHPLC-UV detection method was developed to quantify these AIMZs in mouse plasma. Our work demonstrated that the multi-intravenous administrations of AIMZs to a healthy murine model do not lead to any acute or mid-chronic toxicity. Furthermore, AIMZs **21**, **23** and **28** exhibit a $t_\mathsf{1/2}$ of 8.1, 23.2 and 21.5 h, respectively. Finally, they induce an arrest of tumor growth comparable to paclitaxel in the xenograft mouse model of MCF7. In conclusion, our work demonstrates that AIMZs are designed to produce few or no adverse effects compared to current antimicrotubule agents. AIMZs are therefore a novel family of potent antimitotic prodrugs that are promising for the development of a targeted therapy toward CYP1A1-expressing breast cancer cells.

Le cancer est une des principales causes de décès à l'échelle mondiale, suscitant un besoin constant de développer de nouveaux traitements efficaces et ayant peu d'effets secondaires. Dans cette perspective, le groupe de recherche du Dr Sébastien Fortin travaille depuis plusieurs années au développement de nouveaux agents anticancéreux nommés phényl 4-(2-oxo-3-imidazolidin-1-yl)benzène sulfonates (PIB-SOs). Bien que ces composés soient très prometteurs et actifs à des concentrations nanomolaires sur plusieurs lignées cellulaires cancéreuses, un défi important pour leur étude chez les animaux est leur faible hydrosolubilité et leur faible sélectivité envers les cellules cancéreuses. Dans ce contexte, l'utilisation d'acides aminés pour former des promédicaments de PIB-SOs et leurs sels qui seront transportés par les transporteurs d'acides aminés (AATs) tels que LAT1 est une stratégie attrayante pour à la fois améliorer leur hydrosolubilité et leur sélectivité envers les cellules cancéreuses surexprimant ces transporteurs. L'objectif de ce projet est donc de concevoir, préparer, purifier et caractériser de nouveaux promédicaments d'acides aminés de PIB-SOs (AA-PIB-SOs) et leurs sels. À cet effet, 40 nouveaux AA-PIB-SOs et leurs sels ont été préparés, caractérisés, purifiés et évalués pour leur hydrosolubilité et leur activité antiproliférative sur les lignées cellulaires humaines cancéreuses mammaires surexprimantLAT1 (MCF7, MDA-MB-231 et MDA-MB-468) et ne l'exprimant que faiblement (HCC1806 et ZR-75-30). Nos résultats montrent que les sels d'AA-PIB-SOs présentent une hydrosolubilité 2-55 fois plus élevée que leurs PIB-SOs correspondants. De plus, ils montrent une activité antiproliférative dans le nanomolaire jusqu'au bas micromolaire. Néanmoins, l'activité antiproliférative ne corrèle pas parfaitement avec l'expression de LAT1 dans les lignées cellulaires. Des expériences seront réalisées afin de déterminer l'implication des AATs dont LAT1 dans l'internalisation des AA-PIB-SOs menant à leur activité cytotoxique envers les cellules cancéreuses. Globalement, mes travaux montrent que les AA-PIB-SOs sont une nouvelle famille de promédicaments anticancéreux prometteurs pour le développement d'une thérapie innovante. / Cancer remains one of the leading causes of death worldwide, prompting a constant need to develop new effective and low side-effect treatments. In this regard, Dr. Sébastien Fortin's research group has been working for several years on the development of new anticancer agents known as phenyl 4-(2-oxo-3-imidazolidin-1-yl) benzenesulfonates (PIB-SOs). These compounds exhibit antiproliferative activity in the nanomolar range against numerous cancer cell lines. Although these compounds are very promising, a significant challenge for their studies in animal models is their low hydrosolubility and their poor selectivity towards cancer cells. In this context, the use of amino acids to form PIB-SO prodrugs and their salts, which may be transported by amino acid transporters (AATs) such as LAT1, is an appealing strategy to both improve their hydrosolubility and their selectivity towards cancer cells over expressing these transporters. The objective of this project is therefore to design, prepare and characterize new amino acid prodrugs of PIB-SOs (AA-PIB-SOs) and their salts. To this end, 40 new AA-PIB-SOs and their salts were prepared, characterized and evaluated for their hydrosolubility as well as their antiproliferative activity against human breast cancer cell lines over expressing LAT1 (MCF7, MDA-MB-231 and MDA- MB-468) and expressing it weakly (HCC 1806 and ZR-75-30). Our results show that the salts of AA-PIB-SOs exhibit 2-55 times higher water solubility than their PIB-SO counter parts. They also demonstrate antiproliferative activity in the nanomolar to low micromolar range. However, antiproliferative activity results do not fully correlate withLAT1 expression in cell lines. Further experiments are therefore needed to determine the involvement of AATs in the transport of AA-PIB-SOs into cancer cells and their cytotoxicactivity. Overall, my work demonstrates that AA-PIB-SOs are a new family of anticancer prodrugs promising for the development of innovative therapy.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les promédicaments amphiphiles du 3-azido-31-désoxythymidine (AZT) ont préalablement été synthétisés dans le but d'augmenter l'activité antivirale et d'améliorer la biodisponibilité de la molécule mère dans le sang. Bien que plusieurs de ces promédicaments ont déjà été incorporés dans des formulations de liposomes, leur stabilité dans le plasma ainsi que leur potentiel hapténique restent encore à déterminer. Dans ce mémoire on décrit: a) la synthèse, la caractérisation ainsi que la rétention d'une série d'esters aliphatiques d'AZT (Cu-CIO (laurate d'AZT, myristate d'AZT, palmitate d'AZT et stéarate d'AZT) dont la synthèse a déjà été publiée par Kawaguchi et al. (J. Pharm. Sci., 79, 531-33, 1990) (chapitre I), b) la synthèse du [3E11-palmitate d'AZT, son incorporation, sa rétention ainsi que sa libération induite par le plasma à partir des porteurs liposomaux (chapitre II) et c) la capacité du palmitate d'AZT d'agir comme un haptène suite à son encapsulation dans les liposomes (chapitre Ill). Les caractéristiques des liposomes formulés avec du DPPC/DMPG et contenant l'ester de l'AZT étaient différentes pour les quatre sortes de promédicaments suite à une incubation dans du PBS à 4, 22 ou 37°C. Les liposomes avaient un potentiel Ç négatif variant entre (-8,91 et -10,23). Une meilleure rétention pour le palmitate d'AZT ainsi que pour le laurate d'AZT a été observée, et ce, aux trois différentes températures. De même, une augmentation du taux de libération, en allant de 4 à 37°C, était observable dans ces deux formulations, due à l'augmentation de la fluidité membranaire qui induit une augmentation de la libération des promédicaments à travers les bicouches phospholipidiques suite à une élévation de la température. L'incorporation liposomale du [311]-palmitate d'AZT a été améliorée lors de l'utilisation d'une chaîne de palmitate lipophile. D'une part la rétention du palmitate d'AZT dans les liposomes en présence de PBS est excellente avec 5 à 10% de perte sur une période d'incubation de 24 heures. D'autre part, l'incubation du [31-1]-palmitate d'AZT liposomal dans le plasma résulte en une libération significative avec le temps. Des injections répétées de liposomes contenant le palmitate d'AZT résulte en une induction d'anticorps du type 1gM et IgG chez les souris. L'absence d'une réponse immunitaire contre l'AZT non estérifié incorporé dans les liposomes montre que la molécule est présentée sur la surface des liposomes plutôt qu'a l'intérieur de ceux-ci.

Le travail suivant est consacré d'une part à l'emploi du calix[4]arène comme une plate-forme organisatrice de principes actifs pour la conception de nouvelles prodrogues. Ce concept a été développé avec des substances antibactériennes ou antivirales, choisies comme modèles. Les conjugués calixarène - anti-infectieux ainsi synthétisés sont amphiphiles et insolubles dans l'eau. Leur comportement interfacial a été étudié via l'interface eau-air, mime d'une interface hydrophile-hydrophobe physiologique, à l'aide de la technique des films monomoléculaires de Langmuir. Nos résultats indiquent que ces prodrogues étalées à l'interface eau-air peuvent libérer leurs principes actifs dans la sous-phase. La méthodologie développée pour ces études de réactivité interfaciale pourrait à l'avenir être appliquée à d'autres prodrogues à base de calix[4]arène. Un second projet a concerné le trifluoroacétate de tétra-p-(guanidinoéthyl)-calix[4]arène (CX1). Ce composé présente des propriétés antibactériennes à large spectre, couplées à une faible toxicité cellulaire. Nos travaux ont visé à mieux comprendre son mode d'action, lié à une perturbation des parois bactériennes, par une approche physico-chimique. La technique de Langmuir a donc été employée afin d'étudier les interactions entre le CX1 et des films monomoléculaires de phospholipides étalés à l'interface eau-air, utilisés comme modèles de membrane bactérienne. Nos résultats nous ont permis de proposer un mode d'organisation des membranes bactériennes sous l'influence du CX1. Nous avons ainsi apporté des précisions sur son mécanisme d'action qui pourraient être utiles dans le développement de nouveaux calixarènes antibactériens / This work begins with utilization of the calix[4]arene macrocycle as organizing platform of anti-infectious molecules shaped as prodrug. The concept has been explored using antibacterial (nalidixic acid) and antiviral (aciclovir, ganciclovir) molecules, chosen as models. The calixarene - anti-infectious conjugates synthesized have amphiphilic structure and are insoluble in aqueous media. Their interfacial behavior was studied via the air-water interface, considered as mimic of biological hydrophilic-hydrophobic interfaces, using Langmuir monolayers technique. Our results indicate that calixarene-based prodrugs spread at the air-water interface are able to release anti-infectious molecules into the subphase. The original methodology employed for interfacial reactivity studies could be applied to further calixarene-based prodrugs. A second project concerns the trifluoroacetate salt of tetra-p-(guanidinoethyl)-calix[4]arene (CX1). CX1 is antibacterial, active against various Gram-positive and Gram-negative bacteria, with low eukaryotic cell toxicity. The aim of our work was to get more insight in the mechanism of action of CX1, involving bacterial wall disruption, by a physico-chemical approach. The Langmuir monolayers technique was employed in order to study interactions between CX1 and phospholipid monolayers spread at the air-water interface, used as models of bacterial membranes. Our results led us to propose a particular reorganization mode of bacterial membranes upon interactions with CX1. This proposal gives more understanding in the mechanism of biological activity of CX1, and could be helpful in developing new antibacterial calixarene derivatives