A major hurdle for exploring RNA interference (RNAi) in a therapeutic setting is still the issue of in vivo delivery of small RNA molecules (siRNAs). The chemical modification of polyethylenimines (PEIs) offers a particularly attractive avenue towards the development of more efficient non-viral delivery systems. Here, we explore tyrosine-modified polyethylenimines with low or very low molecular weight (P2Y, P5Y, P10Y) for siRNA delivery. In comparison to their respective parent PEI, they reveal considerably increased knockdown efficacies and very low cytotoxicity upon tyrosine modification, as determined in different reporter and wildtype cell lines. The delivery of siRNAs targeting the anti-apoptotic oncogene survivin or the serine/threonine-protein kinase PLK1 (polo-like kinase 1; PLK-1) oncogene reveals strong inhibitory effects in vitro. In a therapeutic in vivo setting, profound anti-tumor effects in a prostate carcinoma xenograft mouse model are observed upon systemic application of complexes for survivin or PLK1 knockdown, in the absence of in vivo toxicity. We thus demonstrate the tyrosine-modification of (very) low molecular weight PEIs for generating effcient nanocarriers for siRNA delivery in vitro and in vivo, present data on their physicochemical and biological properties, and show their efficacy as siRNA therapeutic in vivo, in the absence of adverse effects.

L'interférence ARN est un processus biologique permettant la dégradation d'un ARN messager par un ARN double brin de courte taille spécifique de cet ARNm. Elle a un potentiel d'application en thérapie antivirale pour peu que les ARN interférents (ARNi) soient délivrés efficacement in vivo. Dans le genre Morbillivirus, on trouve des pathogènes importants en santé publique et vétérinaire tels que le virus de la rougeole et les virus de la peste des petits ruminants (PPR) et de la peste bovine. Il n'existe aucun traitement contre les infections à morbillivirus. L'objectif de ce travail était d'évaluer la possibilité d'administrer in vivo un ARNi actif contre le virus PPR in vitro. Une formulation basée sur des liposomes complexés avec des ARNi ou un adénovirus non réplicatif exprimant des ARN courts en tête d'épingle (shARN) ont été testés chez des chèvres dans un modèle d'épreuve infectieuse avec une souche virulente de PPR. Les différences observées n'étaient cependant pas significatives au plan statistique. Pour améliorer la délivrance par vecteur viral, nous avons comparé un autre vecteur de type baculovirus qui s'est avéré plus efficace in vitro que l'adénovirus précédent. Par ailleurs, nous avons testés in vitro également deux peptides capables de pénétrer dans les cellules. L'un d'entre eux, le Perfect 6 (PF6) a presque complètement inhibé l'expression du gène de la nucléoprotéine par le virus PPR. En revanche, l'autre (PF14) a été moins efficace mais a relativement mieux résisté à l'inhibition de son activité par la présence de fortes concentrations de sérum dans le milieu. Dans le but d'évaluer in vivo ces nouveaux systèmes de délivrance en s'affranchissant du modèle chèvre lourd et couteux à mettre en œuvre, nous avons initié une stratégie de mise au point d'un modèle non infectieux de suivi dynamique de l'interférence ARN chez la souris par imagerie in vivo. Dans ce travail, nous montrons qu'il est possible de mesurer et de standardiser l'expression d'un gène rapporteur comprenant une séquence du virus PPRV et ensuite de quantifier le niveau de dérégulation de l'expression induit par un ARNi dirigé contre le virus PPR. Après calibration, ce modèle est désormais pour tester différents systèmes de délivrance de siRNA chez la souris / RNA interference (RNAi) is the process of mRNA degradation that is induced by double-stranded RNA in a sequence-specific manner. RNAi has a potential of developing into an effective and specific antiviral therapy if small interfering RNAs (siRNAs) can be efficiently delivered in vivo. Morbillivirus genus includes important pathogens of humans and animals, which include measles virus, peste des petits ruminants virus (PPRV) and rinderpest virus. No treatment exists for morbillivirus diseases. The aim of this work was the in vivo delivery of siRNA against PPRV infection. The delivery of siRNA by a liposome and short hairpin RNA (shRNA) by means of a replication deficient adenovirus was tested in goats which were later challenged with PPRV. However, significant therapeutic effects were not obtained. To find more efficient vectors, the PPRV inhibition efficiency of recombinant replication deficient adenovirus and a baculovirus expressing shRNA against nucleoprotein of PPRV were compared in vitro. The baculoviral vector was found to be more efficient. Similarly, two cell penetrating peptides (CPPs) were also compared and PepFect6 (PF6) could deliver siRNA NPPRV1 effectively in vitro resulting in an almost complete inhibition of N gene expression by PPRV. Another CPP, the PF14 though with lower transfection efficiency in vitro, was found to be relatively serum resistant compared to PF6. A small animal model for PPRV infection does not exist. Due to economic, ethical, and biosecurity issues involved with use of small ruminants, a strategy based on the use of a non-infectious mouse model and a dynamic follow up of siRNA treatment by live imaging was developed. We show in this work that it is possible to measure and standardize the expression of a bioluminescent reporter gene containing a PPRV sequence and thus, to quantify a down-regulation of such gene by siRNA against PPRV. After some calibration, siRNA delivery can now be tested in this mouse model for comparing various delivery vectors in vivo.

Les dendrimères, font partie d'une famille particulière de polymères synthétiques, pouvant être utilisés comme nanovecteurs pour l'administration de médicaments grâce à leur structure polyvalente et leur action coopérative, ces fonctions étant confinées dans un volume de taille nanométrique. Notre groupe a récemment démontré que de petites unités dendritiques amphiphiles pouvaient s'auto-assembler en dendrimères supramoléculaires pouvant délivrer du siARN, avec une efficacité similaire à celle des dendrimères de grande génération construits de manière covalente. Dans cette thèse, ans le but de explorer des nouveaux dendrimères amphiphiles possédant des propriétés particulières d'auto-assemblage pour la délivrance de médicaments, j'ai synthétisé et caractérisé deux familles de dendrimères amphiphiles, à savoir des dendrimères bola-amphiphiliques de type PAMAM ainsi que des dendrimères amphiphiles biodégradables de type poly(aminoester). Leurs propriétés physico-chimiques et l'activité biologique pour la délivrance de siARN ont été étudiées. Nos résultats soulignent qu'elles constituent de nouveaux nanotransporteurs prometteurs pour la délivrance d'acide nucléique, voie dans laquelle nous poursuivons activement nos efforts. / Dendrimers, a special family of synthetic polymers, emerge as appealing nanovectors for drug delivery thanks to their unique precisely-controlled achitecture along with multivalency and cooperativity confined within a nanosized volume. Our group has recently demonstrated that small amphiphilic dendrons could self-assemble into supramolecular dendrimers, which mimick the covalently constructed high generation dendrimers and effectively deliver siRNA therapeutics in vitro and in vivo. In order to further explore novel amphiphilic dendrimers with special self-assembly properties for nucleic acid delivery, in this Ph.D thesis, I have synthesized and characterized two families of amphiphilic dendrimers, namely bola-amphiphilic PAMAM dendrimer and biodegradable amphiphilic poly(aminoester) dendrimer. Their physico-chemical properties and biological activity for siRNA delivery have been investigated. Our results demonstrate that they may constitute, via supramolecular self-assembling, effective and promising nanocarriers for nuclide acid delivery, in which we are actively pursuing our effort.

Le défi majeur de la thérapie génique à base de siARN est sa délivrance sûre et efficace. Récemment, notre groupe a mis au point des dendrimères amphiphiles comme vecteurs robustes et efficaces de délivrance non-virale de siARN, qui combinent les avantages de délivrance des vecteurs lipidiques et polymèriques. J’ai effectué au cours de ma thèse de doctorat une analyse de la relation structure/activité (SAR) d'une série de dendrimères comportant des queues hydrophobes de différentes longueurs. Nos résultats démontrent qu’un équilibre optimal entre la longueur de la chaîne alkyle hydrophobe et la partie hydrophile dendritique joue un rôle crucial sur leur capacité d’auto-assemblage, ainsi que sur leur activité de transport des siRNA. En outre, en combinant bola-amphiphiles et nos dendrimères amphiphiles, nous avons développé un nouveau dendrimère bola-amphiphile dont nous avons étudié les propriétés d’auto-assemblage et l'efficacité de transport du siARN correspondant. Ce dendrimère bola-amphiphile particulier a été en mesure de réagir à des espèces réactives de l'oxygène pour la délivrance spécifique, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la conception de vecteurs stimuli-déclencheurs pour siARN ciblés. Enfin, nous avons étudié l’«effet d'éponge à protons» des vecteurs dendritiques amphiphiles à l'aide de la technique du film Langmuir en monocouche. Nos résultats ont prouvé le gonflement des vecteurs dendritiques amphiphiles par protonation, offrant ainsi des données expérimentales permettant de soutenir sans ambiguïté l’hypothèse de l'«effet d'éponge à protons». / A key challenge in RNAi-based gene therapy is the safe and effective siRNA delivery. Recently, our group has established amphiphilic dendrimers as robust and effective nonviral delivery vectors for siRNA, which combine the beneficial delivery features of both lipid and dendritic polymer vectors while overcoming their shortcomings.With the desire to understand the underlying mechanism of amphiphilic dendrimers for efficient delivery, I performed a structure/activity relationship (SAR) analysis of a series of dendrimers featuring hydrophobic tails of different lengths during my PhD thesis. We systematically investigated these dendrimers for their self-assembling characters and their capacities for both binding and delivery of siRNA. Our results demonstrate that an optimal balance between the hydrophobic alkyl chain length and the hydrophilic dendritic portion plays a crucial role in the self-assembly and the delivery activity towards siRNA.Furthermore, we developed a novel bola-amphiphilic dendrimer by combining bola-amphiphiles and our amphiphilic dendrimers and studied their self-assembly properties and the corresponding siRNA delivery efficiency. This peculiar bola-amphiphilic vector was able to respond to reactive oxygen species for specific delivery, opening a new perspective for the design of stimuli-trigged vectors for targeted siRNA delivery.Finally, I studied the “proton sponge effect” of the amphiphilic dendrimer vectors using the Langmuir monolayer film technique. Our results gave direct evidence of swelling of the amphiphilic dendrimers upon protonation, offering unambiguous experimental data to support the “proton sponge effect”.

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.

Highly fluorescent conjugated polymers (CPs) are an important class of biomaterials used for various biological applications including labelling, sensing, and delivery of biological substances. Synthetic versatility and tunable emission make CPs a superior class of biomaterials. Understanding the structure-function relationship of CPs plays a vital role in designing high performing biomaterials. The cationic CPs are self-assembled to conjugated polymer nanoparticles (CPNs) in an aqueous environment due to their amphiphilicity. The physical and biophysical properties of CPNs are highly dependent on the chemical functionality and backbone structure of CPs. Modulation of the surface property and backbone structure of CPNs play an important role for efficient internalization of CPNs into cells. The goal of this dissertation is to understand the structure function relationship of CPNs in an aqueous environment and the change in their photo physical properties upon the self-assembly of CPNs with different backbone structure upon complexation with biologically significant polysaccharides and cell membrane. This work presents the self-assembly of a set of four cationic CPs with different connectivity and backbone structure upon complexation with a linear polyanion hyaluronic acid (HA). The study of photo physical properties changes upon the complexation with series of Glycosaminoglycans (GAGs) provides more insight about how the self-assembly behavior of cationic CPs changes upon the exposure to negatively charged polysaccharides. The understanding of the self-assembly of CPNs with negatively charged biologically important macromolecules under in vitro conditions can give us an idea of photophysical property changes of CPNs during the treatment of CPNs in the cellular environment. The study of the interaction of CPNs with cell membranes using scanning ion conductance microscopy (SICM)-based topography, potential mapping, and confocal microscopy imaging is presented. CPNs are able to induce transient pore like feature formation on the cell membrane during the cellular internalization process. A comparative study of cellular labelling and delivery of siRNA of five CPNs with guanidine motif is presented. The subcellular localization and delivery of siRNA were dependent on the side chain hydrophilicity. The CPNs fabricated with hydrophilic aminoethoxyethanol possesses excellent cellular imaging with higher siRNA delivery.