Notre laboratoire a récemment mis en évidence la réaction de cycloaddition entre les sydnones et les alcynes terminaux ou cycliques. Ces réactions sont bioorthogonales et possèdent la particularité de former deux produits : l’un provenant de la ligation (click) des deux partenaires réactionnels par cycloaddition (3+2), l’autre provenant d’un relargage (release) par réaction de rétro Diels-Alder. Le potentiel de ce type de réaction est très grand de par le nombre d’applications possibles que ce soit dans le domaine de la bioconjugaison, du marquage fluorescent ou de la libération de principes actifs.Les sydnones sont des composés hétérocycliques dipolaires qui appartiennent à la famille des mésoioniques. Cette thèse vise à découvrir de nouvelles réactions de ligation et de coupure mettant en jeu ces mésoioniques et des dipolarophiles. Vingt-cinq mésoioniques et trois familles de dipolarophiles ont été synthétisés et criblées.Lors du premier criblage, la réactivité des composés mésoioniques avec un alcyne terminal, sous une catalyse au cuivre, a été explorée. Neuf conditions de catalyse ont été testées. Ce criblage a mis en évidence la cycloaddition entre les aza-iminosydnones et les alcynes terminaux dont le produit formé dépend du système catalytique et de la nature de l’alcyne.La deuxième famille de dipolarophiles testée est celle des cycloalcynes. Nous avons découvert que, les dithiolium-olates réagissaient avec les cycloalcynes peu encombrés et que les sydnone-imines réagissent avec tous les cyloalcynes de manière bioorthogonale en libérant une molécule complexe.Enfin, les cycloalcènes ont été testés comme dipolarophiles. Dans cette partie, les résultats préliminaires du criblage nous ont amené à modifier la structure de la sydnone pour permettre la libération d’une molécule complexe. / Our laboratory has recently discovered the cycloaddition between sydnones and cyclic or terminal alkynes. These reactions are bioorthogonal and generate two products: one coming from the (3+2) cycloaddition (click) between both partners and the second from a cleavage step (release) through a retro Diels-Alder reaction. This type of new reactions would be of prime importance in the development of new reagents useful for bioconjugation and drug delivery applications.Sydnones are dipolar heterocycles belonging to the large family of compounds known as mesoionics. This work aims at discovering new chemoselective and bioorthogonal processes between mesoionic compounds and various dipolarophiles, that undergo in a same reaction both ligation and cleavage. Twenty-five mesoionics and three types of dipolarophiles were synthetized and screened.For the first screening, the reactivity between mesoionics and terminal alkyne, under a copper catalysis, was studied. Nine conditions of catalysis were tested. This screening revealed the cycloaddition between aza-iminosydnones and terminal alkynes. The structure of the formed products depends on the catalytic system and the nature of the alkyne used.The second type of dipolarophiles screened was cyclic alkynes. Dithiolium-olates were found to react with non-hindered cyclic alkynes. On the other side, imino-sydnones react with all cycloalkynes to afford a click product together with a released molecule.Finally, cycloalkenes were screened. Thanks to preliminary results from a screening, we engineered new sydnones to allow the release of a complex molecule after the cycloaddition step

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pour une application optimale des nanovecteurs comme système de délivrance de médicaments, il est nécessaire de caractériser pleinement leur intégrité, et leurs propriétés d’encapsulation et de libération de leur contenue. Mon projet de doctorat consiste à développer des méthodes basées sur la fluorescence pour caractériser l'intégrité de ces nanovecteurs lipidiques et la libération des molécules actives in vitro et in vivo. Premièrement, en utilisant le FRET entre deux fluorochromes infrarouges spécialement conçus, l'intégrité des nanovecteurs lipidiques dans le sang et la tumeur cible a été évaluée et quantifiée par imagerie ratiométrique dans le proche infrarouge chez les souris vivantes. Deuxièmement, nous avons développé un test rapide et simple basé sur la FCS pour la quantification in situ de la libération du contenu des différents nanovecteurs. Troisièmement, en utilisant le blanchiment du Nil Rouge par le dithionite de sodium, nous avons établi une approche originale pour étudier l'état physique des nanovecteurs et le niveau d'encapsulation des fluorochromes. En conclusion, nous avons montré que les nanovecteurs lipidiques encapsulant des fluorochromes apparaissent comme un outil prospectif pour la libération contrôlée par la lumière de molécules actives in vitro et in vivo. / For effective application of nanocarriers as drug delivery system, it is necessary to fully characterize their integrity, encapsulation, and release properties. The aim of my PhD project is to develop fluorescence-based methods for characterizing integrity of lipid nanocarriers and the release of active molecules in vitr o and in vivo. First, using FRET between specially designed near-infrared dyes the integrity of lipid nanocarriers in bloodstream and tumor was assessed and quantified by near-infrared ratiometric imaging in living mice. Second, we have developed fast and simple FCS-based assay for in situ quantification of release from different NCs. Third, using Nile Red bleaching by sodium dithionite, we established an original approach to study the physical state of the nanocarriers and the level of dye encapsulation. Finally, we showed that dye-loaded lipid nanocarriers appear as a prospective tool for light-controlled release of active molecules in vitro and in vivo.

Les composites renforcés avec des nanotubes de carbone présentent un réel potentiel en terme de renforcement mécanique, d'amélioration de conductivités électrique et thermique des matériaux cependant les effets toxicologiques des nanotubes de carbone sur la santé humaine sont toujours à l'étude, et tout laisse à penser que ceux-ci feront prochainement l'objet de normes et autres législation. C'est pourquoi les fabricants de composites renforcés nanotubes de carbone ont tout intérêt à prendre les devants sur de futures législations en contrôlant le relargage de nanotubes isolés lors de différentes sollicitations de ces matériaux telles que la casse ou l'abrasion. Un bon état de dispersion des nanotubes au sein de la matrice est un paramètre qui améliore les performances du composite et que l'on suppose faire baisser le relargage de nanotubes de carbone isolé dans l'environnement. Le but final de cette étude est donc ici de savoir si la qualité de l'état de dispersion des nanotubes influe sur la nature des particules relarguées suite à une dégradation d'un composites. Il faut savoir si l'on a relargué des nanotubes isolés, ou bien des particules de polymère dans lesquelles des nanotubes seraient complètement enrobés, d'où l'intérêt de bien maitriser cette étape de dispersion. Pour contrôler la dispersion des nanotubes de carbone dans un système polymère, différentes méthode peuvent être utilisées, notamment la microscopie électronique (MEB et MET), mais également des méthodes telles que la caractérisation des propriétés mécaniques, la conductivité électrique, thermique ou encore la rhéologie des suspensions. Ces différentes méthodes étant plus ou moins efficaces et simple à mettre en œuvre pour indiquer si les nanotubes sont individuellement dispersés, en fagots, voire en agglomérats. Une fois l'état de dispersion des composites biens caractérisés, il s'agit de le corréler avec une prédisposition plus ou moins prononcée de ce nanocomposite au relargage. La théorie prédit que l'interface entre un nanotube et le polymère est supposé bien plus forte que celle entre un nanotube entouré par d'autres nanotubes au sein d'un agrégat. Des observations microscopiques de fractures ainsi que la caractérisation des particules relarguées lors des tests en abrasion standardisés (mesures granulométriques combinées à des observations par microscopie électronique) menées sur ces matériaux modèles permettent alors de confirmer les prédictions théoriques et de caractériser les particules relarguées en termes de taille, nombre et nature. Les résultats ne permettent pas d'affirmer que des nanotubes de carbone isolés sont relargués pendant la sollicitation mécanique des nanocomposites, quel que soit l'état de dispersion des nanotubes de carbone. En revanche, les interactions entre les particules de matrice polymère et les nanotubes de carbone observés sur celles-ci, apparaissent extrêmement dépendantes de cet état de dispersion.

Ce travail permet d'approfondir les connaissances sur l'exposition des voyageurs aux polluants de l'air dans les autobus via des mesures représentatives en fonction du matériel roulant (Agora Long, Agora Standard), le taux de renouvellement de l'air, de la qualité de l'air extérieur et des paramètres du trafic routier. Les expériences ont été réalisées en étudiant la répartition des polluants dans l'habitacle, un sujet peu abordé jusqu'à présent dans la littérature. Sont quantifiées certaines sources de pollution comme le relargage des nouveaux matériaux et le transfert des effluents du bus vers sa cabine (auto-pollution). Dans le cadre de cette démarche, une campagne inédite a été créée pour quantifier l'auto-pollution minimum et maximum pour ces deux types de bus. Dans des conditions réelles de circulation, les concentrations en polluants (NO2, PM2.5, concentration en nombre des particules entre 0,02-1µm) ont été plus élevées dans les habitacles des bus par rapport au fond urbain. De plus il a été constaté des concentrations en NO2 plus faibles à l'avant par rapport à l'arrière du bus, position du pot d'échappement et du moteur. Cette surexposition a été expliquée par une auto-pollution plus importante à l'arrière par rapport à l'avant (0,13% contre 0,05% dans des conditions défavorables). Enfin l'influence du relargage des matériaux, du trafic routier, des ouvertures des portes, de la vitesse du vent sur les concentrations des polluants dans les habitacles des bus a été démontrée / This study can increase knowledge about the travelers' exposure to air pollution inside buses through measures based representative of rolling stock (Agora Long, Agora Standard), the air change rate, air outdoor quality and traffic parameters. The experiments were performed by studying the distribution of pollutants in the cabin, a subject little discussed in the literature. Some sources of pollution such as the material emissions and the transfer of bus exhaust in the cabin are quantified (self-pollution). As part of this approach, an unprecedented campaign was conducted to quantify the maximum and minimum self-pollution for both types of bus. In real traffic conditions, the pollutant concentrations (NO2, PM2.5, particle number concentration between 0.02-1µm) are higher in the instrumented buses compared to outdoors. Moreover the lowest concentrations of NO2 have been measured in the front of the cabin compared to the rear, the localization of exhaust pipe and the engine. This overexposure was explained by a self-pollution higher in the rear of the cabin compared to the front (0.13% against 0.05% in adverse conditions). Finally the influence of the material emissions, traffic, door openings, the wind speed on the pollutant concentrations inside buses have been demonstrated

L'amylose est un homopolymère quasi-linéaire d'unités glucosyles liées en α(1,4) qui, extrait de l'amidon natif, possède la propriété remarquable de former des complexes cristallins avec une grande variété de petites molécules organiques. Ces complexes sont regroupés sous le terme générique d'amylose V. Nous avons testé la capacité de 120 composés à induire la cristallisation de l'amylose à partir de solutions aqueuses diluées. La morphologie et la structure des cristaux lamellaires formés ont été caractérisés par microscopie électronique en transmission ainsi que par diffraction des électrons et des rayons X. Les données révèlent que les structures de ces complexes peuvent être classées en 10 familles dont 5 sont décrites pour la première fois. Des spectres de résonnance magnétique nucléaire du solide du 13C montrent clairement que l'hélicité de l'amylose V est corrélée à la résonnance du carbone C1 qui se déplace vers les champs faibles lorsque le nombre d'unités glucosyles par tour augmente. Des modèles géométriques préliminaires ont été proposés pour tous les allomorphes, la structure de cristaux de V1-butanol ayant été analysée en détail en combinant des calculs de conformation et d'énergie d'empilement avec un affinement de structure de polymère cristallin classique. Tous les allomorphes contiennent des simples hélices d'amylose d'ordre 6, 7 ou 8 et les molécules invitées peuvent être localisées dans ces hélices, entre elles ou les deux. Chaque type d'allomorphe peut être obtenu avec différents complexants et la conformation de l'hélice d'amylose dépend de la taille du complexant. De plus, un ligand donné est susceptible d'induire la formation de plusieurs allomorphes. Le polymorphisme cristallin de l'amylose serait donc une caractéristique plus générale que ce qui avait été rapporté auparavant. La propension au polymorphisme dépend non seulement de la nature du complexant mais aussi des conditions de cristallisation. Le degré de polymérisation de l'amylose, sa concentration et celle du complexant, la température de mélange ou de cristallisation et la composition du solvant ont un impact significatif sur la formation de cristaux et la structure de l'amylose V. Par ailleurs, nous avons utilisé des complexes avec l'ibuprofène comme modèle afin d'évaluer le potentiel de l'amylose V comme système de délivrance de principes actifs. Différentes fractions d'ibuprofène, probablement corrélées aux positions possibles de la molécule dans le cristal, sont sélectivement relarguées en variant le pH du milieu de dissolution. Puisque le relargage intervient principalement à pH élevé, ces complexes d'inclusion sont donc potentiellement intéressants pour cibler une libération intestinale et pourraient donc améliorer l'effet thérapeutiques de l'ibuprofène. / Amylose, a mostly linear homopolymer of α(1,4)-linked glucosyl units extracted from native starch, has the remarkable property to form "V-amylose" crystalline complexes with a variety of small organic molecules. We have tested the ability of 120 compounds to induce the crystallization of amylose from dilute aqueous solutions. The morphology and structure of the resulting lamellar crystals were characterized by transmission electron microscopy as well as electron and X ray diffraction. The data revealed that the structures of the complexes could be classified into 10 families, 5 of which were described for the first time. In addition, 13C solid-state nuclear magnetic resonance spectra clearly showed that the helicity of V-amylose was correlated with the resonance of carbon C1 that was shifted downfield with increasing number of glucosyl units per turn. Tentative geometrical models were proposed for all allomorphs and the structure of V1-butanol was analyzed in more details by combining conformational and packing energy calculations with classical crystalline polymer structure refinement. All allomorphs contained 6-, 7- or 8-fold amylose single helices and the guest molecules could be located inside these helices, in-between, or both. Each allomorph could be obtained with different complexing agents and the helical conformation was found to depend on the size of the complexing agent. In addition, a given ligand could induce the formation of several allomorphs, suggesting that the polymorphism of V-amylose crystals is a more general characteristic than what was previously reported. The propensity for polymorphism is not only related to the nature of the complexing agent but also to the crystallization conditions. The degree of polymerization of amylose, its concentration and that of the complexing agent, the temperature of mixing and crystallization, and the solvent composition have a significant impact on the formation and crystal structure of V-amylose. In addition, crystalline complexes prepared with ibuprofen were used as a model to evaluate the potential of V-amylose as a delivery system of bioactive molecules. Different fractions of ibuprofen, likely correlated with the different locations of the guest in the crystal, were selectively released by varying the pH of the dissolution medium. Since the release mainly occurred at high pH, these inclusion complexes appear to be potentially interesting for intestinal targeting and would thus improve the therapeutic effect of ibuprofen.

Ce travail concerne l’élaboration, l’étude de la microstructure semicristalline et les propriétés de films de chitosane, envisagés pour le relargage de principes actifs. La microstructure semicristalline des films de chitosane influence fortement leurs propriétés physicochimiques et fonctionnelles. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude systématique par diffraction de rayons X en faisant varier différents paramètres structuraux de chitosane statistiques (DA) et les paramètres d’élaboration des films (l’état de neutralisation, la nature du contre-ion et le pourcentage d’eau dans les films avant neutralisation, et la situation de l’étape de neutralisation dans le procédé). Nous avons obtenus différentes microstructures semicristallines en terme d’allomorphes hydratés ou anhydres, en jouant sur les conditions plus ou moins hydrophobes au moment de la neutralisation. Par ailleurs, une étude de la mobilité moléculaire par spectroscopies diélectrique et mécanique a permis de mettre en évidence différentes relaxations secondaires, toujours en fonctions des paramètres physicochimiques qui conditionnent la balance des interactions hydrophiles/hydrophobes. De plus, la Spectroscopie mécanique a montré une transition réversible de comportement hydrophile / hydrophobe dépendant du traitement thermique appliqué. Cette étude nous a montré que le degré d’acétylation n’influence pas directement la mobilité moléculaire dans les films de chitosane, mais c’est encore la balance des interactions hydrophiles / hydrophobes qui gouverne la réponse viscoélastique et diélectrique. Finalement, nous avons réalisé une étude du gonflement de films de chitosane en relation avec les paramètres de mise en oeuvre. Les résultats sont reliés à la microstructure semicristalline. Le relargage de protéines a été abordé par l’étude d’une protéine modèle (Ovalbumine). La technique de dichroïsme circulaire a permis d’étudier les interactions ovalbumine/chitosane à l’état solide (dans le film) comme à l’état solution (après relargage). Les cinétiques de relargage ont été déterminées et discutées en fonction du gonflement et de la morphologie cristalline / This work concerns the elaboration, semicrystalline microstructure and properties study of chitosan films for application of release of active principle. The semicrystalline microstructure of chitosan films strongly influences their physicochemical and functional properties, so their control becomes very important for the aimed application. In this context, we have performed a systematic study by X-ray diffraction on chitosan films varying different parameters that influence their semicrystalline microstructure, particularly, the degree of acetylation, the elaboration routes, the neutralization state, the counter-ion nature and the water content before neutralization. We have achieved to control the semicrystalline microstructure by the combination of these parameters. Furthermore, the study of the molecular mobility behaviour was carried out showing the different relaxation processes present in the chitosan films. A viscoelastic study by mechanical spectroscopy showed hydrophilic/hydrophobic transitions as a function of he thermal treatment. This study showed that the degree of acetylation does not have a strong influence on the molecular mobility in the chitosane films. Finally, we have conducted a study of swelling of chitosan film in relation to the semicrystalline microstructure. Then, a model protein (Ovalbumin) has been incorporated to study its interaction with chitosan in the solid state (in the film) and in solution (after release) and in order to evaluate its release

La thèse est intitulée « Modifications chimiques de polysaccharides pour l'obtention de nouveaux systèmes polymère-principe actif ». Le thème de la recherche porte sur trois axes principaux, dont l’objectif majeur est la synthèse et la caractérisation de nouveaux systèmes pour la libération contrôlée de principes actifs. Le premier chapitre traite de l’optimisation de la méthode pour préparer des émulsions stables simples inverses (eau/huile) et multiples (eau/huile/eau) à base de polysaccharides (amidon et 2-hydroxyethyle cellulose). On a étudié le processus de relargage de la caféine, l’influence de la présence d’amidon dans la phase aqueuse sur la stabilité et cinétique de libérations. Le second chapitre a pour objet l’obtention de nouveaux principes actifs à partir d’aminoacides et leur immobilisation sur polysaccharides par couplage chimique covalent. Les conjugues polymère-médicament obtenus ont été caractérisés par spectroscopie, physico-chimie. Leur activité antimicrobienne, leur toxicité in vivo, l’efficacité de l’immobilisation et la cinétique de relargage in vitro de médicaments couplés ont été étudiées. Le dernier chapitre traite de la synthèse des dérivés de chitosane avec l’anhydride maléique et l’acide acrylique, ainsi que leur utilisation dans la préparation d’hydrogels sous forme de films et de nanoparticules par copolymérisation avec le méthacrylate de 2-hydroxyethyle et l’acrylamide de N- isopropyl. Les dérivés ont été évalués par leur degré de fonctionnalisation. Les nanosystèmes ont été caractérisés par leur potentiel zêta, leur capacité de gonflement, d’adhésion et de relargage in vitro. Tous les résultats expérimentaux ont été soutenus par importantes études bibliographiques / The thesis is entitled “Chemical modifications of polysaccharides for the obtaining of new drug-polymer systems“. The topic of research includes four main working axes, diverted from the major objective to synthesize and characterize new drug delivery systems. The first chapter treats the optimization of the preparation method of stable simple W/O emulsions and multiple W/O/W emulsions, based on polysaccharides (starch and 2-hydroxyethyle cellulose). We also studied the process of caffeine release outside the multiple emulsions particles and the influence of starch in the internal aqueous phase stage upon the stability and the drug release kinetics. The second chapter studies the obtaining of new active principles from aminoacid and their immobilization on polysaccharides by covalent coupling. The new drug-polymer conjugates were characterized by spectral, physicochemical properties, antimicrobial activity, in vivo toxicity, immobilization efficiency and I vitro drug release kinetics. The last chapter treats the synthesis of the chitosan derivatives with maleic anhydride or acrylic acid, and their use in the preparation of hydrogels as film and nanoparticles by copolymerization with 2-hydroxymethacrilate or N-isopropyl acrylamide. The derivatives were evaluated by determining the degree of functionalization and by spectral methods. The nanosystems were characterized by measurements of zeta potential, swelling and adhesion capacity and membership and in vitro drug release kinetics. All experimental results were supported by important bibliographic studies

Les hydrogels sont des matériaux aux propriétés modulables dont la dégradation peut être contrôlée. Du fait de leur biocompatibilité, ils peuvent être utilisés afin de protéger les médicaments labiles et ainsi favoriser l’administration de traitements médicaux, d’où l’intérêt croissant de développer ces matériaux. Depuis quelques années, ils font l’objet de nombreuses recherches, que ce soit en ingénierie tissulaire, détection de mouvement, régénération de tissus ou pour le relargage de médicaments. Ce projet de thèse porte sur la formation d’hydrogels à base d’α-cyclodextrine et de polyéthylène glycol 20K ainsi que sur l’étude de leur capacité de relargage de principes actifs. Ces composés ont la capacité de former des complexes d’inclusion, créant ainsi un collier de perle, appelés pseudopolyrotaxane. Ensuite, ils seront modifiés pour créer des hydrogels de polyrotaxanes grâce à l’ajout de groupement bloquants. Finalement, nous formerons des hydrogels à point de réticulations glissant après avoir relié deux polyrotaxanes par leur macrocycle. À l’aide d’études rhéologiques, nous avons montré une amélioration des propriétés mécaniques des hydrogels proportionnelle à l’apport de liaisons chimique. Les groupements bloquants permettent d’éviter la désinclusion tandis que les réticulations apportent un effet poulie, les rendant exceptionnellement élastique. Ces hypothèses sont validées par les études structurales. Et nos hydrogels se sont révélés non toxiques pour les cellules humaines et ces résultats confirment leur biocompatibilité. Les hydrogels de pseudopolyrotaxanes sont les plus écologiques et les plus appropriés pour une application locale cutanée. Les hydrogels de polyrotaxanes, plus stables, peuvent être utilisés pour des applications locales prolongées ou par injection. Cependant, nos hydrogels de polyrotaxanes réticulés devront être modifiés afin de permettre un relargage contrôlé, car leur extrême stabilité pourrait entraver leur dégradation lors d'une injection sous-cutanée malgré leurs propriétés mécaniques exceptionnelles. / Hydrogels are materials with tunable properties whose degradation can be controlled. Because of their biocompatibility, they can be used to protect labile drugs and thus facilitate the administration of medical treatments, hence the growing interest in developing these materials. In recent years, they have been the subject of numerous studies, whether in tissue engineering, motion sensing, tissue regeneration or drug delivery. This project focuses on the formation of hydrogels based on α-cyclodextrin and polyethylene glycol 20K and the study of their drug release capacity. These compounds can form inclusion complexes, forming a pearl necklace called pseudopolyrotaxane. They will then be modified to form polyrotaxane hydrogels by adding blocking groups. Finally, we will form hydrogels with sliding cross-linking points after linking two polyrotaxanes through their macrocycle. Through rheological studies, we have demonstrated an improvement in the mechanical properties of the hydrogels proportional to the introduction of chemical bonds. Blocking groups prevent desorption, while cross-linking provides a pulley effect, making them exceptionally elastic. These hypotheses are supported by structural studies. Our hydrogels have been shown to be non-toxic to human cells, confirming their biocompatibility. Pseudopolyrotaxane hydrogels are the most environmentally friendly and suitable for local cutaneous application. Polyrotaxane hydrogels are more stable and can be used for prolonged local applications or by injection. However, our cross-linked polyrotaxane hydrogels will need to be modified to allow controlled release, as their extreme stability could hinder their degradation during subcutaneous injection, despite their exceptional mechanical properties.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.