Avec 8,8 millions de morts en 2015, le cancer est la deuxième cause de mortalité dans le monde et le nombre de nouveaux cas ne devrait cesser d'augmenter dans les décennies à venir. Il est donc primordial de développer de nouveaux outils pour le diagnostic et la thérapie de ces maladies. Dans ce contexte, l'Institut Lumière Matière a développé une nanoparticule appelée AGuIX® (Activation et Guidage de l'Irradiation X). De taille inférieure à 5 nm, elle est constituée d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. La présence de ces complexes lui permet d'être utilisée comme agent de contraste en Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) et d'améliorer l'efficacité de la radiothérapie (effet radiosensibilisant).Cette thèse traite du développement d'une deuxième génération de nanoparticules AGuIX® afin de permettre des diagnostics encore plus précis ou des thérapies encore plus performantes. Pour cela, on a cherché : (i) à améliorer l'effet radiosensibilisant de cette nanoplateforme en ajoutant des complexes de bismuth à sa surface ; (ii) à complexer des radiométaux variés pour permettre la détection des particules en scintigraphie ; (iii) à fonctionnaliser les particules pour mettre en place de la photothérapie dynamique guidée par IRM. Dans tous les cas, après avoir optimisé les synthèses, différentes techniques de caractérisation ont été mises en place afin d'obtenir une description précise des particules. L'efficacité de ces nano-objets pour le diagnostic et/ou le traitement des cancers a ensuite été évaluée grâce à de nombreuses collaborations, en France ou à l'international / With 8.8 million deaths in 2015, cancer is the second leading cause of death in the world and the number of new cases should continue to increase in the decades to come. It is therefore essential to develop new tools for the diagnosis and therapy of this disease. In this context, the Institute of Light and Matter has developed a nanoparticle called AGuIX® (Activation and Guidance of Irradiation X). With a size below 5 nm, it is made of gadolinium chelates covalently grafted to a polysiloxane core. Thanks to these complexes, the nanoparticle can be used as a contrast agent for Magnetic Resonance Imaging (MRI) and can improve the radiotherapy efficacy (radiosensitizing effect).The goal of this PhD is to develop a second generation of AGuIX® nanoparticles to allow even more precise diagnosis or even more effective therapies. For this, we focused on: (i) improving the radiosensitizing effect of this nanoplateform by adding bismuth complexes to its surface; (ii) complexing various radiometals to enable the NPs detection by scintigraphy; (iii) functionalizing the NPs for MRI-guided photodynamic therapy. In all cases, after optimization of the syntheses, various characterization techniques were put in place to obtain an accurate description of the particles. The effectiveness of these new nano-objects for the diagnosis and/or treatment of cancers was then evaluated thanks to several collaborations, in France or internationally

Les possibilités de combinaison thérapeutiques offertes par les nanoparticules ont ouvert un nouveau champ d’investigation pour la recherche sur le cancer. Dans ce projet de recherche, des nanoparticules dérivées de la protéine de capside du virus de la mosaïque du tabac (TMV) ont été utilisées afin de transporter différents peptides thérapeutiques ciblant le récepteur neuropiline-1. Cette stratégie a permis de solubiliser un peptide fortement hydrophobe ayant préalablement démontré son efficacité anticancéreuse sur des lignées de cancer du sein humain et de glioblastome. Les résultats obtenus ont également permis de démontrer la possibilité de combiner différents peptides thérapeutiques via l’auto-assemblage de la protéine de capside du TMV. / Nanoparticles play an ever increase role in carrying therapeutic compounds in the cancer field. In this research project, the coat protein of Tobacco mosaic virus (TMV) was used as nanocarrier to solubilize a hydrophobic peptide interfering with the transmembrane domain of neuropilin-1. The nanoparticles created have conserved the antiangiogenic and antimigratory effect of the therapeutic peptide. This strategy was also used to create nanoparticles carrying a peptide targeting the ectodomain of neuropilin-1. The two types of nanoparticles were then assembled through auto-assembling ability of the coat protein. These nanoparticles also exhibit antiangiogenic ability thus, confirming the validity of this approach to combine therapeutic peptides.

La distribution in vivo des médicaments est étudiée par des techniques quantitatives faiblement ou non résolues spatialement. Avec l'apparition des thérapies personnalisées, des études plus approfondies sont nécessaires pour connaître précisément le comportement des molécules vectorisées sous la forme de nanoparticules (NPs). Dans le cadre du programme européen Ternanomed, ce projet de recherche a pour objectif d’évaluer la capacité de deux techniques d’imagerie appliquées à l’étude de la distribution de nanomédicaments à base de squalène et de Cis platine (Cis-Pt). Ces deux techniques ont été sélectionnées pour leur apport d’informations complémentaires à l’échelle des organes et des tissus : i) l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) pour suivre in vivo la biodistribution de NPs modèles à base de Cis-Pt et BiSqualène (BiSQ), marquées par des agents de contraste type oxyde de fer (USPIO), ii) l’imagerie de microfluorescence X, couplée au rayonnement synchrotron (SR-μXRF), qui ne nécessite pas de marquage préalable des nanomédicaments, pour le suivi tissulaire du Cis-Pt.Concernant l’approche par IRM, nous avons encapsulé avec succès nos USPIO synthétisées au sein des NPs de Cis-Pt BiSQ (210nm, polydispersité 0,1), tout en leur conférant un pouvoir contrastant à 7 tesla (r2=404 ms.mol-1 et r1=3 ms.mol-1). Ces NPs nouvellement préparées sont également traçables chez notre modèle murin Nudes. Les résultats de biodistribution montrent une arrivée rapide du contraste dans les organes épurateurs : le foie et la rate (5 minutes après l’injection). Au final, l’analyse par IRM a permis d’obtenir les données de biodistribution en temps réel des NPs à base de Cis Pt BiSQ, grâce au suivi du contraste apporté par les USPIO encapsulés. Concernant l’imagerie par SR-μXRF, nous avons démontré que cette technique est suffisamment sensible pour détecter et cartographier le Cis-Pt, vectorisé par nos NPs modèles. La distribution du Cis Pt a été quantifiée localement à partir d’une référence interne de concentration connue, le Zinc, à partir de notre méthode validée par le dosage globale du Platine par spectrométrie d’absorption atomique. Lorsque notre référence tissulaire n’est pas distribuée de façon homogène, une méthode semi-quantitative a été mise au point pour comparer la distribution à 2h, 8h et 24h, tel qu’au niveau des coupes de tumeurs PANC-1.Au final, ces travaux ont permis de démontrer, que la SR-μXRF et l’IRM sont des approches de choix pour l’étude pharmacocinétique et pharmacodynamique de nanomédicaments tels que les NPs à base de Cis-Pt. La technique de microfluorescence X contribue au caractère original et pionnier de ce travail de recherche, apportant des nouveaux résultats de détection et quantification important dans le domaine des nanomédecines. / Nowadays, the in vivo distribution of drugs is studied by non-spatial or partially spatial quantitative techniques. With the development of personalized therapies, many studies are required to know the in vivo behaviour of these innovative treatments, which target drugs, such as nanoparticles (NPs). Into the European funded program Ternanomed, the aim of this multidisciplinary research project was to evaluate two complementary imaging methods to study the distribution of squalene and Cis platinum (Cis Pt) NPs. The 2 imaging methods were selected to provide complementary data at the scale of organs and tissues: i) Magnetic resonance imaging (MRI) to monitor the in vivo biodistribution of NPs models based on Cis-Pt and BiSqualene (BiSQ), labelled with "UltraSmall Iron Oxide Particle" (USPIO) contrast agents, ii) X-ray microfluorescence imaging, coupled with synchrotron radiation (SR-μXRF) without any labelling of these nanomedicines, by following the Cis-Pt drug distribution into tissues.Regarding the MRI approach, we first successfully prepared Cis-Pt BiSQ NPs loading with USPIO (210nm, polydispersity 0,1). These NPs were given a contrast at 7 Tesla (r2 = 404 ms.mol-1 and r1 = 3 ms.mol-1). These newly prepared and characterized NPs were also trackable into our Nude murine model. The results show a rapid arrival of contrast in the liver and spleen scavengers (5 minutes after injection). Ultimately, MRI analysis yielded real-time biodistribution data for Cis-Pt BiSQ-based NPs by monitoring the contrast provided by encapsulated USPIO. Regarding the SR-μXRF imaging analysis, we demonstrated that this technique is very sensitive to detect and map the Cis-Pt distribution, the drug vectorized by our squalene NPs models. Additionally, a local quantitative analysis is feasible when a microelement present in the tissue is used as a reference, in our study the Zinc element. The distribution of Cis-Pt was quantified in the hepatic, renal and fat tissues, after 2h and 24h, with our method validated by the global Platinum microanalyse using atomic absorption spectrometry. When the tissue reference appears not homogenously distributed, a semi-quantitative analysis method is possible to compare the distribution such as into PANC-1 tumour sections.Finally, these two complementary approaches illustrate the use of SR-μXRF and lay the optimized bases of MRI to study the pharmacokinetics and pharmacodynamics of two new types of Cis-Pt/squalene NPs. The SR-μXRF technique, newly used in pharmaceutical field, had an effective contribution to these original and pioneering research studies with an original way of in vivo assessment of the distribution of drug embedded into nanomedicine system. The issue of detecting correct and measurable distribution of the drugs is extremely important, timely and relevant to improve current knowledge in the state of the art. This research study brings new data which can produce significant impact to the overall area of nanomedicine.

Des nanoparticules d’oxydes de fer superparamagnétiques (SPIONs) PEGylées ont servi de plateforme pour la formulation de nanovecteurs théragnostiques pour la délivrance d’un agent anticancéreux, la doxorubicine (DOX). Le chargement de la DOX sur les nanovecteurs à l’aide d’un complexe avec l’ion fer (II) a été optimisé. Ce complexe se dissocie en milieu acide, typique des compartiments intracellulaires. La spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) a confirmé que les nanovecteurs libèrent la DOX sous forme non complexée. La cytotoxicité in vitro induite par la libération de la DOX a été évaluée sur différentes lignées cellulaires de cancer du sein, et comparée à celle de la DOX en solution. Les voies d’internalisation des nanovecteurs ont été explorées en microscopie électronique en transmission (MET), et le devenir intracellulaire de la DOX a été suivi en imagerie confocale multispectrale (ICMS). Enfin, un protocole thérapeutique in vivo chez la souris tumorisée a permis d’évaluer la capacité de la nanoformulation à limiter la croissance tumorale, la possibilité d’un ciblage magnétique, et la réduction des effets secondaires induits par la DOX. / PEGylated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) were used as a platform to build theranostic nanovectors for the delivery of an anticancer drug, doxorubicin (DOX). The DOX loading on nanocarriers via a DOX-iron (II) complex was optimized. The complex dissociates at low pH, typical of intracellular compartments. Surface enhanced Raman scattering (SERS) confirmed that the nanovectors released DOX under free form. In vitro cytotoxicity due to DOX loaded on nanocarriers was performed on different breast cancer cells, and compared to that of DOX in solution. Internalization pathways of nanovectors were explored with transmission electron microscopy (TEM), and intracellular fate of DOX was monitored by confocal spectral imaging (CSI). To finish, a therapeutical protocol was performed on tumorized mice, in order to evaluate the efficacy of the nanoformulation on tumor reduction, the possibility of magnetic targeting, and the decrease of side effects induced by DOX.

A teragnóstica de doenças tem sido extremamente marcada nos últimos anos por nanomateriais formados pela conjugação de nanopartículas a biomoléculas, pois a aplicação de tecnologias baseadas em materiais na dimensão nanométrica é capaz de aumentar a seletividade, sensibilidade e praticidade dos métodos atualmente empregados, ou mesmo criar novos métodos de diagnóstico e tratamento de doenças. Dentre os vários tipos de nanomateriais desenvolvidos, aqueles baseados em nanopartículas de ouro ou nanopartículas magnéticas apresentam propriedades químicas e físicas diferenciadas que propiciam novas possibilidades. Por exemplo, a presente tese demonstrou que nanopartículas superparamagnéticas são excelentes agentes de contraste em exames de imagem por ressonância magnética (IRM) por serem mais seguros, apresentarem melhor contraste nas imagens e possibilitarem direcionar/concentrar o material em tecidos ou tumores através de um gradiente de campo magnético aplicado. Foram feitos numerosos ensaios de toxicidade tanto in vitro quanto in vivo para assegurar a segurança da aplicação de nanopartículas no organismo, cujo potencial de uso somente se tornará uma realidade caso os nanomateriais se mostrem não tóxicos e biocompatíveis. Apesar dos significativos avanços na área da aplicação desses nanomateriais, não foram encontrados na literatura modelos capazes de explicar ou prever por quais sítios de ligação devem ocorrer as interações proteína-nanopartícula, como também não foram encontrados estudos sistemáticos acerca dos fatores que determinam a estabilidade e a funcionalidade dos nanobioconjugados (NBCs). Assim, nesta tese buscamos compreender os fatores responsáveis pela ligação/adsorção das proteínas nas nanopartículas de ouro e sua influência sobre a estabilidade das suspensões e a funcionalidade das proteínas. Desta forma, foram obtidos NBCs com propriedades adequadas para o desenvolvimento ou aprimoramento de ensaios de diagnóstico e até para o tratamento de doenças. Foi demonstrado o potencial das nanopartículas de ouro para melhorar a performance de imunoensaios do tipo ELISA, mas também podem ser utilizadas para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico, explorando as propriedades plasmônicas das nanopartículas de ouro acopladas a técnicas como SERS, SPR e microscopia Raman confocal. / Theranostics has been intensively pursued in recent years using hybrid materials based on nanoparticles conjugated with biomolecules. This is an interesting strategy to increase the selectivity and sensitivity, as well as to improve the currently used methods facilitating their use or creating new ones. Among the various types of nanomaterials, those based on gold and magnetic nanoparticles exhibit interesting chemical and physical properties in the biological environment, differing from that of free drugs or current explored in assay methods. For example, superparamagnetic nanoparticles are excellent contrast agents for magnetic resonance image (MRI) diagnostics because they are safer, present a better contrast efficiency for imaging and can be magnetically accumulated in tissues or tumors using a magnetic field. Numerous in vitro and in vivo toxicity assays were performed to ensure the safety for medical applications. Clearly, these type of applications only will be realized if nanomaterials prove to be nontoxic and biocompatible. This imply an strict control on their structure and composition. However, despite the significant advances in the development of such nanomaterials, there were not found in the literature model systems explaining or that can be used to predict by which sites the protein-nanoparticle binding should take place. In addition, no systematic studies on the factors determining the stability and the functionality of nanobioconjugates (NBC) were found. Thus, this thesis is focused in unveiling the factors responsible for binding/adsorption of proteins on gold nanoparticles and their influence on the colloidal stability of hybrid nanoparticles suspensions while keeping the functionality of biomolecules. In fact, NBC with enhanced properties suitable for the development of diagnostic methods and even for treatment of diseases were obtained. These nanomaterials can improve the ELISA immunoassay, or other diagnosis methods can be developed by using the gold nanoparticles plasmonic properties in association with SERS, SPR and confocal Raman microscopy techniques.

A teragnóstica de doenças tem sido extremamente marcada nos últimos anos por nanomateriais formados pela conjugação de nanopartículas a biomoléculas, pois a aplicação de tecnologias baseadas em materiais na dimensão nanométrica é capaz de aumentar a seletividade, sensibilidade e praticidade dos métodos atualmente empregados, ou mesmo criar novos métodos de diagnóstico e tratamento de doenças. Dentre os vários tipos de nanomateriais desenvolvidos, aqueles baseados em nanopartículas de ouro ou nanopartículas magnéticas apresentam propriedades químicas e físicas diferenciadas que propiciam novas possibilidades. Por exemplo, a presente tese demonstrou que nanopartículas superparamagnéticas são excelentes agentes de contraste em exames de imagem por ressonância magnética (IRM) por serem mais seguros, apresentarem melhor contraste nas imagens e possibilitarem direcionar/concentrar o material em tecidos ou tumores através de um gradiente de campo magnético aplicado. Foram feitos numerosos ensaios de toxicidade tanto in vitro quanto in vivo para assegurar a segurança da aplicação de nanopartículas no organismo, cujo potencial de uso somente se tornará uma realidade caso os nanomateriais se mostrem não tóxicos e biocompatíveis. Apesar dos significativos avanços na área da aplicação desses nanomateriais, não foram encontrados na literatura modelos capazes de explicar ou prever por quais sítios de ligação devem ocorrer as interações proteína-nanopartícula, como também não foram encontrados estudos sistemáticos acerca dos fatores que determinam a estabilidade e a funcionalidade dos nanobioconjugados (NBCs). Assim, nesta tese buscamos compreender os fatores responsáveis pela ligação/adsorção das proteínas nas nanopartículas de ouro e sua influência sobre a estabilidade das suspensões e a funcionalidade das proteínas. Desta forma, foram obtidos NBCs com propriedades adequadas para o desenvolvimento ou aprimoramento de ensaios de diagnóstico e até para o tratamento de doenças. Foi demonstrado o potencial das nanopartículas de ouro para melhorar a performance de imunoensaios do tipo ELISA, mas também podem ser utilizadas para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico, explorando as propriedades plasmônicas das nanopartículas de ouro acopladas a técnicas como SERS, SPR e microscopia Raman confocal. / Theranostics has been intensively pursued in recent years using hybrid materials based on nanoparticles conjugated with biomolecules. This is an interesting strategy to increase the selectivity and sensitivity, as well as to improve the currently used methods facilitating their use or creating new ones. Among the various types of nanomaterials, those based on gold and magnetic nanoparticles exhibit interesting chemical and physical properties in the biological environment, differing from that of free drugs or current explored in assay methods. For example, superparamagnetic nanoparticles are excellent contrast agents for magnetic resonance image (MRI) diagnostics because they are safer, present a better contrast efficiency for imaging and can be magnetically accumulated in tissues or tumors using a magnetic field. Numerous in vitro and in vivo toxicity assays were performed to ensure the safety for medical applications. Clearly, these type of applications only will be realized if nanomaterials prove to be nontoxic and biocompatible. This imply an strict control on their structure and composition. However, despite the significant advances in the development of such nanomaterials, there were not found in the literature model systems explaining or that can be used to predict by which sites the protein-nanoparticle binding should take place. In addition, no systematic studies on the factors determining the stability and the functionality of nanobioconjugates (NBC) were found. Thus, this thesis is focused in unveiling the factors responsible for binding/adsorption of proteins on gold nanoparticles and their influence on the colloidal stability of hybrid nanoparticles suspensions while keeping the functionality of biomolecules. In fact, NBC with enhanced properties suitable for the development of diagnostic methods and even for treatment of diseases were obtained. These nanomaterials can improve the ELISA immunoassay, or other diagnosis methods can be developed by using the gold nanoparticles plasmonic properties in association with SERS, SPR and confocal Raman microscopy techniques.

Le cancer de l’ovaire est la première cause de décès par cancer gynécologique en France et il présente un fort taux de récidive justifiant la recherche de nouvelles thérapeutiques. Notre projet consiste à développer et à explorer sur des modèles expérimentaux précliniques de carcinose péritonéale de nouveaux agents thérapeutiques radiopharmaceutiques et des voies d’administration innovantes ciblant plus particulièrement la maladie résiduelle micro-métastatique présente après chirurgie de cytoréduction. Nous utilisons des anticorps monoclonaux internalisants spécifiques d’un récepteur membranaire surexprimé dans le cancer de l’ovaire et d’autres cancers gynécologiques, le récepteur de type 2 de l’hormone anti-müllerienne (AMHR2). Ces anticorps sont couplés à des radionucléides aux propriétés thérapeutiques : le Lutecium-177 (un émetteur de particules beta moins) et le Bismuth-213 (un émetteur de particules alpha) réalisant un traitement de radioimmunothérapie. Ils sont évalués après injection intrapéritonéale mais également en utilisant la technique RadioImmunoThérapie Intrapéritonéale Brève (BIP-RIT) consistant à instiller de fortes activités d’anticorps radiomarqués dans le péritoine avant d’en réaliser un rinçage abondant, à l’image de la chimiothérapie hyperthermique intrapéritonéale (CHIP). Sont étudiés sur différents modèles la biodistribution, la dosimétrie, la toxicité et l’efficacité thérapeutique des différentes combinaisons de radionucléides et de voies d’administration. La BIP-RIT présente un profil de biodistribution et de dosimétrie toujours favorable, quel que soit le radionucléide utilisé même si l’utilisation du Bismuth-213 apparait plus particulièrement adaptée à cette technique (bonne efficacité thérapeutique avec absence de toxicité). L’imagerie PET/CT de la biodistribution in-vivo de ces anticorps a été réalisée à l’aide de l’émetteur de positrons Zirconium-89 ouvrant la voie à une approche théragnostique du traitement des cancers gynécologiques AMHR2+ par (radio)immunothérapie. Les mécanismes d’action thérapeutique d’une version humanisée de l’anticorps anti-AMHR2 sont également étudiés. Ce travail ouvre des perspectives cliniques intéressantes dans la prise en charge du cancer de l’ovaire. / Ovarian cancer is the first cause of cancer death from gynaecologic malignancy in France and it has high rate of recurrence justifying the development of new therapeutic tools. Our project aims at developing new radiopharmaceuticals and innovative route of administration to target the small volume residual disease after complete cytoreductive surgery of peritoneal carcinomatosis on preclinical models. We use internalising monoclonal antibodies specific of the anti-müllerian hormone type 2 receptor (AMHR2), overexpressed in ovarian cancer and gynaecologic malignancies. Antibodies are radiolabelled with Lutecium-177, a beta minus emitter, and Bismuth-213, an alpha emitter, to perform radioimmunotherapy. Radiolabelled antibodies are injected intraperitoneally but also after Brief IntraPeritoneal RadioImmunoTherapy (BIP-RIT), a technique delivering high activities in the peritoneal cavity for a short time before washing, like Hyperthermic IntraPEritoneal Chemotherapy (HIPEC). We studied biodistribution, dosimetry, toxicity and therapeutic efficacy on various models and combinaison of radionuclides and route of administration. BIP-RIT appears to be always favourable in term of biodistribution and dosimetry (especially for the tumour-over-blood ratio) whatever the radionuclide used. Bismuth-213 is particularly adapted for radioimmunotherapy of small residual tumours, showing therapeutic efficacy with no toxicity. PET/CT imaging of radiolabelled antibodies with Zirconium-89 was performed and may be used as a theranostic tool for (radio)immunotherapy with anti-AMHR2 antibodies. The anti-tumour efficacy mechanisms of a humanized version of anti-AMHR2 antibody are also presented. This work may lead to realistic theranostic options in ovarian cancer in clinic.

Cette étude concerne le développement de nanoparticules hybrides offrant de nouvelles stratégies pour la thérapie et le diagnostic médical. Elles sont constituées d’un cœur magnétique jouant le rôle d’agent de contraste pour l’IRM et d’inducteur de chaleur par hyperthermie, d’une couronne de polymère thermosensible permettant d’encapsuler des principes actifs et de peptides de reconnaissance biologique. Une grande partie de l’étude a consisté à étudier les processus d'adsorption de copolymères poly(éther)-b-poly(L-lysine) de composition variable sur les particules magnétiques et à comprendre le rôle de la conformation des chaînes polymère à la surface des particules sur la stabilité des colloïdes en milieu physiologique. Un agent antitumoral a été encapsulé puis libéré de façon contrôlée sous l’effet d’un champ magnétique alternatif en exploitant le caractère thermosensible des blocs polyéthers. Des séquences peptidiques ciblant les zones d’inflammation de la barrière hémato-encéphalique ont été greffées sur les copolymères. L’efficacité du ciblage a été validée par IRM et fluorescence sur un modèle animal démontrant ainsi la multifonctionnalité des nanoparticules. / This work deals with the development of hybrid nanoparticles that could offer new strategies for therapy and diagnostic. These are based on a magnetic core which can play the role of contrast agent for MRI as well as heat inductor in AC magnetic field. This inorganic core is surrounded by a thermo-responsive polymeric brush that controls the loading and the release of drugs, and can be functionalized by specific ligands ensuring the targeting specificity. A large part of this work consists in studying the adsorption mechanism of poly(ether)-b-poly(L-lysine) based block copolymers onto magnetic particle and to better understand the influence of the polymer chain conformation at particles surface on the colloidal stability under physiological conditions. An anticancer drug has been loaded and released in a controlled manner under alternative magnetic field by taking advantage from the thermosensitivity of the polyether block. Targeting peptides specific of inflammation sites at the blood brain barrier have been grafted onto copolymers. The targeting specificity has been demonstrated by MRI and fluorescence imaging in rats attesting the multifunctionality of such nanoparticles.

Le but de ce travail de thèse a été de synthétiser de nouveaux nano-objets pour le diagnostic et le traitement du cancer. Ainsi, nous avons développé des nanoparticules hybrides constituées d'un noyau inorganique recouvert d'une couche organique de sérum albumine humaine (HSA). Le noyau inorganique est un composite constitué d'un cœur d'oxyde de fer (IO) et d'une coquille de silice mésoporeuse (MS). L’IO permet, grâce à ses propriétés magnétiques, le diagnostic par imagerie par résonance magnétique (IRM) et la thérapie par hyperthermie magnétique (HM), tandis que les porosités de la MS permettent l’encapsulation de médicaments pour la chimiothérapie. La taille des pores de la coquille MS a été modulée afin d’augmenter le taux d’encapsulation en médicament et la taille du cœur d’IO a été ajustée pour améliorer les propriétés d’HM et d'IRM. L'utilisation d’un revêtement final d’HSA en tant que gatekeeper pour la délivrance de médicaments contrôlée par action enzymatique a également été étudiée. En parallèle, des nanocapsules d’HSA chargées en médicament ont été synthétisées. Enfin, les activités biologiques de ces nanoparticules ont été testées sur différentes lignées cellulaires cancéreuses. / The aim of this PhD work was to synthesize and test new nano-objects for the diagnosis and treatment of cancer. For this purpose, we developed hybrid nanoparticles made of an inorganic core surrounded by a human serum albumin (HSA) organic coating. The inorganic core is a composite by itself as it is made of an iron oxide core (IO) surrounded by a mesoporous silica (MS) shell. The IO core ensures, through its magnetic properties, diagnosis by magnetic resonance imaging (MRI) and therapy by magnetic hyperthermia, whereas the MS shell allows the loading of anticancer drugs for chemotherapy within its porosities. The pore sizes of the silica shell were modulated to enhance the drug loading content and the IO core size was also tuned to improve magnetic hyperthermia as well as T2 MRI imaging properties of the final core-shell system. The use of a thick shell of HSA as gatekeeper for controlled drug delivery triggered by its degradation with proteases was also studied. In parallel the synthesis of drug loaded HSA nanocapsules using MS as sacrificial template was performed. Finally, the biological activities of these nanoparticles were tested on various cancer cell lines.

Le microenvironnement des cellules tumorales présente plusieurs particularités comme l'hypoxie, l'acidification du milieu extracellulaire et l'hypersécrétion d'enzymes hydrolytiques. Ces hydrolases, comme la cathepsine D et l'héparanase, interviennent dans les étapes de la progression tumorale et notamment l'angiogenèse. Cette thèse s'intègre dans un projet dont la finalité est de concevoir un nano-objet moléculaire enzymo-sensible qui réagirait d'une manière spécifique aux enzymes hypersécrétées dans le microenvironnement tumoral pour assurer de façon simultanée, une fonction de détection et de ciblage des tumeurs. La première partie de nos travaux a été consacrée à la conception et à la validation d'un lien peptidique intégrable dans l'objet moléculaire, sensible aux formes de la cathepsine D actives du microenvironnement tumoral de cancers mammaires. Cet objectif a été réalisé suite à l'étude cinétique de l'hydrolyse de 5 peptides par la cathepsine D mature et la pro-cathepsine D dans les conditions de pH du microenvironnement tumoral. Nous avons également étudié l'effet de l'hypoxie et de l'acidification du milieu extracellulaire sur la sécrétion des formes actives de la cathepsine D par la lignée tumorale de cancer mammaire MCF-7. Dans une deuxième partie, nous avons travaillé sur l'élaboration d'héparines de bas poids moléculaire pouvant assurer la fonction thérapeutique de l'objet moléculaire grâce à leur activité anti-angiogénique. Nous avons mis au point une méthode innovante pour la dépolymérisation de l'héparine qui consiste en une hydrolyse radicalaire par le péroxyde d'hydrogène assistée par les ultrasons. Cette technique permet la production d'oligosaccharides d'héparines caractérisées par des poids moléculaires et des degrés de sulfatation contrôlés. En fonction des conditions de dépolymérisation par cette technique, les héparines de bas poids moléculaires produites peuvent être utilisées comme anticoagulant ou anti-angiogénique. / Tumor microenvironment is characterized by several particularities such as hypoxia, extracellular media acidification and the hyper-secretion of hydrolytic enzymes. These hydrolases, such as cathepsin D and heparanase, are involved in many steps of tumor progression like angiogenesis. This thesis is a part of a project that aims to develop a "smart" molecular nano-object that specifically reacts to hyper-secreted enzymes in the tumor microenvironment for the simultaneous detection and targeting of tumor. The first part of our work concerned the design and the validation of a peptide that is sensitive to active forms of cathepsin D which is a protease, unregulated in many tumors microenvironment such as breast cancers. This objective has been achieved following the kinetic study of the hydrolysis of 5 peptides by mature cathepsin D and procathepsin D in the pH conditions of the tumor microenvironment. On the other hand, we studied the effect of hypoxia and the acidification of the extracellular medium on the secretion of active forms of cathepsin D by the breast cancer cell line MCF-7. In a second part, we worked on the development of low molecular weight heparins that may provide therapeutic function of the molecular object through their anti-angiogenic activity. We have developed an innovative method for the depolymerization of heparin that consists on a radical hydrogen peroxide hydrolysis assisted by ultrasound. This technique allows the production of heparins oligosaccharides characterized by controlled molecular weight and degree of sulfatation. Depending on the depolymerization conditions by this technique, the produced low molecular weight heparins can be used as an anticoagulant or anti-angiogenic.