Block copolymer nanoparticles (NPs) have gained great attention among researcher for various medical application mainly due to their extraordinary optical, chemical, and biological properties. The current thesis presents design of multifunctional polymeric NPs for imaging and drug delivery system (DDS) with an in-vitro study of their participation in drug release and cell viability. The NPs were synthesized using reversible addition chain fragmentation transfer (RAFT)-mediated emulsion polymerization via polymerization induce self-assembly (PISA) approach. The environment-friendly emulsion polymerization process of n-buytl acrylate (n-BA) in water is highly efficient. The process produced uniform NPs which would have control over the particle size and molecular weight of the compound. Herein we report a novel simultaneous encapsulation of camptothecin (CPT) and Nile red (NR) into poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate-co-N-hydroxyethyl acrylamide-b-poly n-buytlacrylate (PEGA-co-HEAA)-b-P(n-BA) during the particles formation with a small particle size of 66 nm, high conversion ~80% and encapsulation efficiency of ~50%. The In vitro drug release of the CPT from the NPs exhibited an initial burst (70-80%) within 6h. cell viability was evaluated for the NPs against RAW 264.7 cell line, which indicated the designed NPs are biocompatible and not toxic.

No description available.

Ce travail est présenté en 2 parties. La première partie aborde la synthèse stéréocontrôlée de 2 séries de carbonucléosides de structures méthylènecyclopropane. Les molécules cibles sont des analogues de l’entécavir, une prodrogue utilisée en trithérapie pour lutter contre le VHB. Les synthèses des carbonucléosides cibles de la série I utilisent un chiron commun, un alcool obtenu par désymétrisation enzymatique d’un diol méso. La transformation chimique de cet intermédiaire clé permet d’obtenir le carbonucléoside (+)-17 en 8 étapes mettant en œuvre comme étapes cruciales un réarrangement de Curtius et la construction de la base uracile avec un rendement global de 23%. Le carbonucléoside appartenant à la série II, a été synthétisé en 10 étapes mettant en jeu une réaction de Mitsunobu, une acylation chimique et contrairement à l’approche précédente, la désymétrisation enzymatique d’un diol méso n’a pas permis d’obtenir le carbonucléoside cible énantiopure. La seconde partie est consacrée à l’activation et l’homolyse des alcoxyamines pour une application en théranostique. La synthèse de l’alcoxyamine modèle présente un groupement vinyl pyridine et un nitroxyde SG1. L’activation est réalisée par protonation, oxydation, méthylation et benzylation de la partie pyridyle et met en évidence l’importance de la polarité. Elle a permis d’obtenir des espèces hautement labiles qui libèrent un radical alkyle et le nitroxyde SG1, avec notamment des valeurs de la constante de dissociation kd plus élevées et donc des énergies d’activation Ea plus faibles par rapport à l’alcoxyamine non activée. / This work is presented in 2 parts. The first part is dedicated to the stereocontrolled synthesis of 2 series of carbonucleosides of methylenecyclopropane structure. The target molecules are analogs of entecavir, a prodrug used in triple therapy to fight against HBV. The syntheses of the carbonucleosides targets of the series I use a common chiron, an alcohol obtained by enzymatic desymmetrization of meso-diol. For example, the chemical transformation of this key intermediate allows to obtain carbonucleoside (+)-16 in 8 steps as crucial steps involving a Curtius rearrangement and the construction of the uracil base with 23% overall yield. The carbonucleoside belonging to the series II was first synthesized in 10 steps involving a reaction of Mitsunobu, a chemical acylation. Howerer the enzymatic desymmetrization of a meso-diol did not get the target carbonucleoside in an enantiopur form. The second part is dedicated to the activation and the homolysis of the alcoxyamines for a theranostic application. The synthesis of the model alcoxyamine is made from vinyl pyridine and nitroxide SG1. Activation is carried out by protonation, oxidation, methylation and benzylation of the pyridyl part and highlights the importance of polarity. It allowed getting highly labile species that release an alkyl radical and nitroxide SG1, with notably higher kd dissociation constant values and therefore activation energies Ea lower compared to the alcoxyamine not enabled.

Le cancer est un problème de santé publique dans le monde entier et d'importantes ressources en soins de santé sont dépensées pour le diagnostic. Plus précoce sera le dépistage des tumeurs, meilleures sont les chances de rémission sans rechute. Les techniques d'imagerie permettent de suivre l’évolution du traitement et de réorienter la stratégie en cas d’échec. En combinaison avec des agents de contraste ciblés, les modalités d'imagerie permettent même de sonder les structures à l’échelle moléculaires ce qui pourrait laisser envisager un traitement personnalisé du cancer [1, 2]. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’échographie sont deux techniques complémentaires et non invasives qui permettent la détection de plusieurs cancers (sein, colon, cerveau ...). L'échographie est rentable, portable et fournit, en temps reel, des informations anatomiques. L'IRM profite d’une pénétration profonde dans les tissus mous, d’un contraste élevé et d’une meilleure sensibilité que l’échographie [3]. Néanmoins, l'utilisation de ces techniques en combinaison avec des agents de contraste est difficile, surtout parce que la concentration locale atteint dans la tumeur est souvent inférieure à la plage de sensibilité de détection [4]. Au cours des 20 dernières années, les agents de contraste multifonctionnels ont été construits sur mesure pour atteindre une accumulation préférentielle dans les tissus malades [5]. Dans cette étude, des stratégies de ciblage passif et actif de la tumeur ont été envisagées pour renforcer la concentration locale de nanocapsules polymère, contenant un noyau liquide de bromure de perfluorooctyle (PFOB). L’approche de ciblage passif est basée sur l’effet de pénétration et la rétention accrue (EPR). Les nanocapsules doivent avoir un diamètre inférieur à 400nm une demi-vie plasmatique prolongée. L’approche de ciblage actif est basée sur la reconnaissance spécifique d’un ligand pour une cible biologique surexprimée par la tumeur ou la néovascularisation. Pour le ciblage passif, les nanocapsules ont été préparées avec PLGA-b-PEG par un procédé d'émulsion-évaporation. La morphologie cœur-couronne a été confirmée par RMN du Fluor et cryo microscopie électronique. La surface des nanocapsules est densément couverte par des chaînes de PEG qui adoptent une conformation en brosse, telle qu'évaluée par XPS et diffusion des neutrons aux petits angles. La furtivité des nanocapsules a été démontrée in vitro par des mesures d'activation du complément et in vivo par une étude cinétique de la capture hépatique, réalisée après l'administration intraveineuse de nanocapsules chez la souris nude. L'imagerie des tumeurs, par IRM du Fluor, a révélé que seulement 1% de la dose injectée a été accumulée dans le tissu malade. Par échographie aucun réhaussement du contraste n’a été observé. Ainsi, une autre approche de ciblage a été nécessaire afin d’augmenter l’accumulation des nanocapsules au sein de la tumeur. Les nanocapsules ont été fonctionnalisées avec un peptide RGD (Arginine-Glycine-Acide aspartique afin de cibler les intégrines avß3, qui sont des protéines transmembranaires surexprimées par les néovaisseaux. Deux stratégies, appelées bottom-up et top-down, ont été élaborées pour mener à une décoration satisfaisante du peptide à la surface des nanocapsules. L'efficacité du couplage a été mesurée par RMN du proton. La morphologie des nanocapsules a été étudiée par CryoTEM. / Cancer is a worldwide public health concern and significant health care resources are spent on diagnosis. The sooner the tumor detection, the better the chance of remission without relapse. Furthermore, imaging modalities facilitate the treatment monitoring and feedback, and support decision making to change the strategy when the treatment fails. When used in combination with targeted contrast agents, imaging modalities even enable to probe molecular structures on specific cells opening the doors to personalized cancer therapy [1, 2]. Ultrasonography and Magnetic Resonance Imaging (MRI) are two complementary and non invasive imaging modalities, which allow the detection of a broad range of cancers (breast, colon, brain…). Ultrasonography is cost-effective, portable and provides real-time anatomical information. MRI imparts deep penetration into soft tissues with high contrast and better sensitivity [3]. Nevertheless the use of these techniques in combination with contrast agents is challenging, mostly because the local concentration reached in the tumor is often below the sensitivity detection range [4]. In the last 20 years, multifunctional contrast agents were custom-built to achieve preferential accumulation in the diseased tissue [5]. In this study, passive and active tumor targeting strategies were considered to enhance the local concentration of polymeric nanocapsules, containing a liquid core of perfluorooctyl bromide (PFOB). The passive tumor targeting approach is based on the enhanced permeation and retention (EPR) effect. The related nanocapsules require to be small enough (< 400nm) and have extended plasmatic half life. The active tumor targeting approach is based on the specific receptor-ligand recognition.For passive tumor targeting, the nanocapsules were prepared with PLGA-b-PEG by an emulsion-evaporation process. The core shell morphology was confirmed by cryoTEM and 19F NMR. The surface of nanocapsules was densely covered by PEG chains with brush conformation, as assessed by XPS and Small Angle Neutrons Scattering. The related stealthiness of nanocapsules was evidenced in vitro by complement activation measurements and in vivo by a kinetic study of the mice liver uptake, performed after intravenous administration of nanocapsules. The tumor imaging, by 19F MRI, revealed that only 1% of the injected dose was accumulated in the diseased tissue whereas, by ultrasonography no contrast enhancement was observed. Thus, another targeting approach was required to increase nanocapsule distribution within the tumor. Nanocapsules were functionalized with an Arginine-Glycine-Aspartic acid (RGD) peptide to target the αvβ3 integrins, which are overexpressed proteins on neovessels. Two strategies, called bottom-up and top-down, were designed to achieve satisfying peptide decoration on nanocapsule surface. The coupling efficiency was measured by 1H NMR. The nanocapsule morphology was studied by CryoTEM.

La récente découverte des carbon dots (CDs) et de leurs propriétés physico-chimiques exceptionnelles (stabilité chimique, solubilité en milieu aqueux, faible toxicité, biocompatibilité, photoluminescescence et résistance au photoblanchiment) permet d’envisager l’utilisation de ces matériaux carbonés de taille nanométrique dans de nouvelles approches en imagerie biomédicale (fluorescence, IRM...), pour la vectorisation d’acides nucléiques (ADN, siARN) et la délivrance d’actifs thérapeutiques. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail de thèse s’articulent autour de deux thématiques bien précises : échantillonnage de nanoparticules carbonées et développement de plateformes théranostiques. Une première partie a ainsi été consacrée à la préparation de carbon dots diversement fonctionnalisés de façon à pouvoir explorer l’espace structural et mener des études de relation structure-toxicité sur différentes lignées de cellules en culture. La seconde partie a été centrée sur l’élaboration d’une plateforme théranostique à base de carbon dots visant, d’une part, à délivrer un acide nucléique de façon intracellulaire et, d’autre part, à permettre un suivi des particules par différentes techniques d’imagerie. / The recent discovery of carbon dots (CDs) and their very interesting phsico-chemical properties (chemical stability, water solubility, low toxicity, biocompatibility, photoluminescence and resistance to photobleaching) make these carbon nanoparticles a powerfull platform for biomedical imaging (fluorescence, MRI...), nucleic acids vectorization (DNA, siRNA) and drug delivery. In this context, the objectives of the thesis work are divided into two different thematics: carbon nanoparticles sampling and development of theranostic platforms. The first part is devoted to the preparation of various functionalized carbon dots to explore the structural space and to manage structure-toxicity relationship studies on different cell lines. The second part is focused on the development of a theranostic platform based on carbon dots in order to promote simultaneously nucleic acids delivery into cells and to monitor them by different imaging techniques.

L'objectif de ce travail a été la préparation de nanoparticules pour l'administration intratumorale. Ladouble functionalisation de ces nanoparticules est rapidement approuve comme extrement intéressant, car ellespeuvent être utilisé pour le diagnostic in vivo et la thérapie (théranostics). Pour réaliser ce type desnanoparticules, l'oxyde de fer a été choisi comme agent de contraste pour une utilisation en imagerie parrésonance magnétique (IRM) pour le diagnostic de cellules cancéreuse. Les nanoparticules d'oxyde de fer ont étépréparées dans des milieux aqueux et organique. La méthode d'émulsification multiple suivie de l'évaporationde solvant a été utilisée pour l'encapsulation concomitante d'un principe actif et des nanoparticules de l'oxydede fer. Tous les paramètres affectant la taille des nanoparticules pendant le procédé ont été étudiés en utilisantune molécule active hydrophile modèle (une dérivative de la Stilbene) et le protocole standard a ensuite étéévalué. Dans une seconde étape, les particules d'oxyde de fer ont été encapsulées par la même méthoded'émulsion évaporation et entièrement caractérisées en termes de morphologie, taille, magnétisation, etcomposition chimique. La visualisation in vitro des particules modèles a été réalisée par IRM et comparée a unproduit commercial à base de Gadolinium (Gd). D'autre part, la quantité nécessaire d'oxyde de fer permettantune bonne visualisation par IRM a été déterminée par une étude in vivo menée sur des souris. Enfin la doubleencapsulation d'oxyde de fer avec une molécule anticancéreuse a été effectuée par la méthode développée, laformulation obtenue a été entièrement caractérisée.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine émergent du « théranostique » qui associe le diagnostic par l’imagerie à la thérapie au sein d’un même système. De nouveaux photosensibilisateurs (PS) pour la thérapie photodynamique (PDT) activables par un processus d’excitation biphotonique ont été synthétisés. Ils sont composés de porphyrines reliées à des unités dicétopyrrolopyrroles. Ces systèmes présentent d’importantes valeurs de sections efficaces d’absorption biphotonique dans le proche infra-rouge ainsi que de bons rendements quantiques de formation d’oxygène singulet. Deux PS ont ensuite été reliés à des complexes de Gd(III) permettant d’apporter la fonction d’imagerie par résonance magnétique (IRM). En plus de conserver de bonnes propriétés d’absorption biphotonique, ces systèmes présentent également de remarquables valeurs de relaxivité. Enfin, des études de phototoxicité in cellulo ont démontré l’activité d’un des agents théranostiques sous irradiation biphotonique. Ces résultats permettent de valider pour la première fois le concept d’un agent moléculaire unique pour la PDT par absorption biphotonique et pour l’IRM. / The work presented in this thesis belongs to the emerging field of « theranostic » whose aim is to combine a diagnostic and a therapeutic agent within the same system. New photosensitizers (PS) activated by a two-photon absorption process for Photodynamic Therapy (PDT) have been synthesised. These systems consist of porphyrins conjuguated to diketopyrrolopyrrole units. These compounds have significant high two-photon absorption cross-sections in the near infrared and good singlet oxygen quantum yields. Two PS have been linked to Gd(III) complexes in order to bring the magnetic resonance imaging (MRI) function. These systems still have good two-photon absorption properties and also show remarkable high relaxivity values. Finally, in cellulo phototoxicity studies have been performed for one of the theranostic agent and the two-photon PDT activity has been retained. These results validate, for the first time, a proof of concept of a single molecular agent for two-photon PDT and for MRI.

Un axe de recherche particulièrement développé en chimie organométallique moderneconcerne la recherche d’agents chimiothérapeutiques alternatifs au cisplatine dans lestraitements contre le cancer. Dans ce domaine, plusieurs stratégies ont été développées depuisplusieurs dizaines d’années, parmi lesquelles nous pouvons citer la multinucléarité, consistanten la création d’édifices polymétalliques. L’objectif de la première partie de ce manuscrits’inscrit dans cette thématique, par la conception, l’obtention et l’étude des propriétésbiologiques de complexes hétérobimétalliques "early-late" (Ti-Ru, Ti-Au, Ti-Pt, Ti-Os, Ti-Rh, Ti-Ir) et "late-late" (Pt-Au). Un deuxième concept développé au cours de ce manuscritconsiste en la génération de nouvelles espèces théranostiques, par association au sein d’unmême complexe d’un fragment métallique à activité thérapeutique et d’une sonde fluorescentepermettant de visualiser le trajet et les cibles biologiques de ce premier. Dans ce cadre, deuxséries parallèles de complexes bimétalliques ont été synthétisées à partir des squelettesRu(bipy)32+ et Ru(bipy)2(dipy)2+ dont les propriétés de luminescence ont été largementdécrites et utilisées pour diverses applications. Ces composés bimétalliques ont pu fairel’objet de mesures sur les deux fronts, à savoir leur activité cytotoxique envers des lignéescellulaires cancéreuses et leurs propriétés photophysiques. / A research theme especially developed in modern organometallic chemistry deals withnew chemotherapeutic agents as alternatives to cisplatin for the treatments against cancer. Inthis area, several strategies have been considered since decades, among which one can citemultinuclearity, meaning the creation of polymetallic structures. The objective of the first partof this manuscript deals with this theme, with the design, synthesis and study of the biologicalproperties of "early-late" hetero-bimetallic complexes (Ti-Ru, Ti-Au, Ti-Pt, Ti-Os, Ti-Rh, Ti-Ir) and "late-late" (Pt-Au). A second concept developed in this thesis consists in thegeneration of new theranostic agents by association inside a same unit of a metal fragmentwith therapeutic activity, and of a fluorescent probe allowing the visualization of thebiological targets. In this field, two parallel series of bimetallic compounds have beenobtained based on the skeletons Ru(bipy)32+ and Ru(bipy)2(dipy)2+, whose luminescenceproperties have been widely described and used for several applications. These bimetalliccomplexes have been tested both for their cytotoxic activity against cancer cells lines andtheir photophysical properties.

L'objectif de cette étude était de préparer et de caractériser les particules submicroniques multifonctionnelles utilisables simultanément pour le diagnostic et le traitement de plusieurs maladies mortelles telles que le cancer. Pour ce faire, une étude systématique a été réalisée afin de comprendre les mécanismes impliqués et d'optimiser les paramètres du procédé de double émulsion-évaporation de solvant pour la préparation de ces particules. Pour l’imagerie in vitro, des nanoparticules polymériques fluorescentes (FluoSpheres®) ont été encapsulées dans une matrice polycaprolactone dégradable en utilisant le procédé de l’émulsion double-évaporation de solvant. Pour l’imagerie invivo, des nanoparticules d'or colloïdal ont été préparées et encapsulées via le même procédé et parfaitement caractérisées. Enfin, pour application theranostic, les nanoparticules d'or (comme agent de contraste) et un actif moléculaire (hydrophile Nefopam et hydrophobe benzoate de benzyle) ont été encapsulés simultanément dans des particules de polycaprolactone. Ces particules multifonctionnelles ont été caractérisées et évaluées in vitro comme model de pénétration cutané / The objective of this study was to prepare and characterize multifunctional submicron particles that can be used for diagnosis and therapy of several fatal diseases including cancer (i.e theranostic). For this purpose, a systematic study was performed in order to optimize the process parameters for preparation of polymeric particle that can be used as a platform for effective delivery of drugs and imaging labels. The imaging agent (FluoSpheres®) was encapsulated via double emulsion solvent evaporation technique to be used fluorescent contrast agent and their in vitro evaluation was performed. Then, gold nanoparticles were prepared by using NaBH4 reduction method, characterized and encapsulated by polycaprolactone polymer for in vitro applications. Finally, the gold nanoparticle were loaded into polycaprolactone particle along with a hydrophilic drug (Nefopam) and a hydrophobic drug (benzyl benzoate) simultaneously. The prepared particles were then characterized physicochemically and in vitro skin penetration study was performed

Gemcitabine is a highly potent chemotherapeutic nucleoside agent used in the treatment of several cancers and solid tumors. However, it is therapeutically limitated because of toxicity to normal cells and its rapid intracellular deamination by cytidine deaminase into the inactive uracil derivative. Modification at the 4-(N) position of gemcitabine's exocyclic amine to an -amide functionality is a well reported prodrug strategy which has been that confers a resistance to intracellular deamination while also altering pharmacokinetics of the parent drug. Coupling of gemcitabine to carboxylic acids with varying terminal moieties afforded the 4-N-alkanoylgemcitabines whereas reaction of 4-N-tosylgemcitabine with the corresponding alkyl amines gave the 4-N-alkylgemcitabines. The 4-N-alkanoyl and 4-N-alkyl gemcitabine analogues with a terminal hydroxyl group on the 4-N-alkanoyl or 4-N-alkyl chain were efficiently fluorinated either with diethylaminosulfur trifluoride or under conditions that are compatible with the synthetic protocols for 18F labeling, such as displacement of the corresponding mesylate with KF/Kryptofix 2.2.2. The 4-N-alkanoylgemcitabine analogues displayed potent cytostatic activities against murine and human tumor cell lines with 50% inhibitory concentration (IC50) values in the range of low nM, whereas cytotoxicity of the 4-N-alkylgemcitabine derivatives were in the low to modest µM range. The cytostatic activity of the 4-N-alkanoylgemcitabines was reduced by several orders of magnitude in the 2'-deoxycytidine kinase (dCK)-deficient CEM/dCK- cell line while the 4-N-alkylgemcitabines were only lowered by 2-5 times. None of the 4-N-modified gemcitabines were found to be substrates for cytosolic dCK, however all were found to inhibit DNA synthesis. As such, the 4-N-alkanoyl gemcitabine derivatives likely need to be converted to gemcitabine prior to achieving their significant cytostatic potential, whereas the 4-N-alkylgemcitabines reach their modest activity without "measurable" conversion to gemcitabine. Thus, the 4-N-alkylgemcitabines provide valuable insight on the metabolism of 4-N-modified gemcitabine prodrugs.