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Drug nanocarriers’ surface chemistry is often presumed to be uniform. For instance, the polymer surface coverage and distribution of ligands on nanoparticles are described with averaged values obtained from quantification techniques based on particle populations. However, these averaged values may conceal heterogeneities at different levels, either because of the presence of particle sub-populations or because of surface inhomogeneities, such as patchy surfaces on individual particles. The characterization and quantification of chemical surface heterogeneities are tedious tasks, which are rather limited by the currently available instruments and research protocols. However, heterogeneities may contribute to some non-linear effects observed during the nanoformulation optimization process, cause problems related to nanocarrier production scale-up and correlate with unexpected biological outcomes. On the other hand, heterogeneities, while usually unintended and detrimental to nanocarrier performance, may, in some cases, be sought as adjustable properties that provide NPs with unique functionality. In this review, results and processes related to this issue are compiled, and perspectives and possible analytical developments are discussed.

We developed a nanoparticles (NPs) library from poly(ethylene glycol)–poly lactic acid comb-like polymers with variable amount of PEG. Curcumin was encapsulated in the NPs with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. We observed a sharp decrease in size between 15 and 20% w/w of PEG which corresponds to a transition from a large solid particle structure to a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure. Drug loading, loading efficacy and release kinetics were determined. The diffusion coefficients of curcumin in NPs were determined using a mathematical modeling. The higher diffusion was observed for solid particles compared to “polymer nano-aggregate” particles. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. Our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers.

Nanomedicine is based primarily on the concept of drug formulation through nanotechnology. The main idea is based on the encapsulation of an active ingredient by a nanoparticle (NP) to allow it to accumulate in tumors, to penetrate a biological barrier or to target a biological component. However, the performance of these formulations is disappointing, and, in recent years, it has been noticed that their effectiveness has not improved in the last decade. Some recent hypotheses highlight our lack of knowledge about the interactions of nanotechnologies with living organism and more particularly the lack of techniques to quantify these interactions. We therefore explore in this thesis the development and adaptation of a new microscopy technique, dynamic differential microscopy (DDM), to study the interactions of nanotechnologies with biological matrices. Two subjects are discussed, the first on the interactions of NPs with the proteins of biological fluids and, the second one, on the capacity of NPs to diffuse in interstitial tissues. First, we reviewed quantification techniques that were allowing the measurement of protein adsorption at the surface of NPs. We then identified fundamental questions of this adsorption, namely, if it was generally structured in monolayers or in multilayers and if it was reversible or irreversible. A meta-analysis, based on these questions, could therefore guide the development of the DDM technique to measure protein adsorption and therefore answer these questions. The methodology proposed for the quantification of protein adsorption is based on the measurement of the fluorescence signal which comes from fluorescently tagged proteins adsorbed on non-fluorescent NPs. This methodology was successfully applied for the quantification of the adsorption of lysozyme, albumin and serum proteins. The technique demonstrated that all the proteins studied adsorbed in monolayers and that their adsorption was reversible. An atypical adsorption mechanism which was also hypothesized in our meta-analysis was evidenced by DDM as well. Next, we applied DDM to study the diffusion of NPs in extracellular matrices. The contribution of deformability has been a parameter studied in terms of its relation to improve their diffusion within these confined environments. The diffusion of "soft" NPs was compared to that of "hard" NPs in an agarose gel, mimicking the extracellular matrix. Soft NPs have been observed to diffuse up to 100 times faster than hard NPs of the same size. Evaluation of the hydrodynamic and electrostatic contributions determined that the soft NPs shrinks in the gel, boosting their diffusion in comparison to hard NPs. In summary, this work highlights the important contribution of analytical techniques to the field of nanotechnologies applied to pharmacy and to our understanding of their interactions with living organisms. It is clear that the contribution of these techniques to our detailed understanding of nanomedicine properties has a direct relation with their clinical translation potential., La nanomédecine repose essentiellement sur le développement de nouvelles formulations pour délivrer les médicaments à partir de nanotechnologies. L’idée principale est que l’encapsulation d’un principe actif par une nanoparticule (NP) pourrait lui permettre de s’accumuler dans des tumeurs, de pénétrer une barrière biologique ou bien pour cibler une composante biologique. Or, les performances de ces « nano-formulations » sont décevantes et, depuis quelques années, il a été remarqué que leur efficacité ne semble pas avoir évoluée dans le temps. De récentes hypothèses mettent de l’avant notre manque de connaissances vis-à-vis les interactions des nanotechnologies avec les éléments du vivant, et plus particulièrement, le manque de techniques robustes permettant de quantifier ces interactions. Nous proposons donc dans cette thèse le développement et l’adaptation d’une nouvelle technique de microscopie, la microscopie différentielle dynamique (DDM), pour étudier les interactions entre les nanotechnologies et les matrices biologiques. Deux thématiques seront abordées, la première, les interactions des NPs avec les protéines des fluides biologiques et, la seconde, la capacité des NPs à diffuser dans des tissus interstitiels. D’abord, nous avons revus les techniques de quantification permettant la mesure de l’adsorption de protéines à la surface des NPs. Nous avons ensuite identifié les questions fondamentales en lien avec cette adsorption. Deux phénomènes sont largement débattus dans la littérature, il s’agit de la formation de multicouches et de la réversibilité de l’adsorption. Une méta-analyse a donc permis d’orienter le développement de la technique par DDM pour mesurer l’adsorption de protéines, dans le but de répondre à ces interrogations. La méthodologie proposée pour la quantification de l’adsorption de protéines à la surface des NPs repose sur la mesure du signal de fluorescence de protéines fluorescentes adsorbées à la surface des NPs non fluorescentes. Cette méthodologie a été appliqué avec succès pour la quantification de l’adsorption des protéines du sérum, du lysozyme et de l’albumine. La technique a d’ailleurs permis de montrer que toutes les protéines étudiées s’adsorbaient en monocouches et que leur adsorption était réversible. Un mécanisme d’adsorption atypique a été mis en évidence dans le cadre de nos expériences et un parallèle a pu être fait avec certaines hypothèses émises avec notre méta-analyse. Ensuite, nous avons appliqué la DDM pour l’étude de la diffusion des NPs dans des matrices extracellulaires. La déformabilité des NPs a été étudiée afin de définir plus précisément sa contribution dans la diffusion à l’intérieur de milieux confinés. La diffusion des NPs « molles » a été comparée à celle des NPs « dures » dans un gel d’agarose, mimant la matrice extracellulaire. Les NPs molles ont été en mesure de diffuser jusqu’à 100 fois plus rapidement que les NPs dures de même taille. L’évaluation des contributions hydrodynamiques et électrostatiques a permis de déterminer que la taille des NPs molles, réduisant dans le gel, leur accordant un avantage diffusif par rapport aux NPs dures. En sommes, ces travaux ont permis de mettre en évidence l’importance des techniques analytiques pour l’étude des nanotechnologies appliquées à la médecine et pour affiner notre compréhension de leurs interactions avec le vivant. Il est clair que la contribution de ces techniques à l’avancement de nos connaissances théoriques relatives aux nanotechnologies aura un impact direct sur leurs chances d’effectuer une transition vers la clinique.

Les traitements et l’imagerie des tumeurs cérébrales malignes se sont avérés jusqu’à présent très peu efficaces, en raison de la présence de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui freine le passage des molécules thérapeutiques mais aussi diagnostiques vers les tissus du système nerveux central (SNC). Le développement de vecteurs nanométriques chargés en agents thérapeutiques et capables de traverser la BHE pourrait être une alternative pour améliorer la bio-distribution de principes actifs et d’agent d’imagerie au cerveau. Parmi les différents types de vecteurs proposés, les nanoparticules polymériques (NP) constituées de polymères dibloc comportant un bloc de poly (éthylène glycol) (PEG) pourrait présenter une solution prometteuse pour transporter des actifs à travers la BHE. La PEGylation de la surface des NPs améliore la stabilité colloïdale des NPs. De plus, elle diminue l'adsorption non spécifique des protéines à la surface de NPs (appelée aussi opsonisation). La vitesse de clairance des NPs est ainsi ralentie et les NPs circulent plus longtemps dans le sang. Malgré l’effet bénéfique de la couche de PEG à la surface des NPs, le rôle exact des propriétés de surface liées à la longueur de la chaîne PEG sur l'interaction des NPs avec les cellules endothéliales vasculaires est mal compris. Dans une première partie de ce travail, le rôle de la longueur de PEG sur l'endocytose et la transcytose des NPs a été étudié sur des monocouches de cellules bEnd.3, un modèle in vitro de BHE. Les mécanismes de transport des NPs ont été évalués en utilisant différents inhibiteurs de l'endocytose. La quantification du taux d'endocytose et de transcytose a révélé que l'endocytose et la transcytose des NPs augmentaient avec la longueur de la chaîne de PEG. Les taux d'endocytose et de transcytose les plus élevés ont été observés pour les NPs de PLA-PEG5000 et de PLA-PEG10000. Les résultats de l’étude mécanistique démontrent que la longueur de la chaîne de PEG influence la voie d'endocytose empruntée par les NPs PEGylées à travers un modèle in vitro de BHE. Dans une seconde partie de ce travail, l'effet de la longueur du PEG sur la toxicité des NPs et les processus inflammatoires a été étudié sur deux modèles de monocouche de cellules endothéliales vasculaires, soit les cellules bEnd.3 et HUVEC. L'effet de la longueur des chaînes de PEG sur l'expression des gènes impliqués dans la réponse inflammatoire aux NPs PEGylées a été évalué par qPCR. De plus, le potentiel de génération de dérivés réactifs de l'oxygène (DRO ou ROS) par les NPs a été évalué en utilisant le test cellulaire basé sur l'oxydation de la DCFH-DA. Les résultats démontrent que les NPs PEGylées induisent une augmentation légère et transitoire de l’expression des gènes des cytokines et des chimiokines inflammatoires. Cependant, la longueur des chaînes de PEG ne présente pas un effet significatif sur l'expression des gènes des cytokines et des chimiokines. De plus, nos résultats ne montrent pas l’induction de la génération de ROS par les NPs PEGylées. En résumé, la longueur de chaine de PEG influence le taux d’endocytose et de transcytose. La voie d’endocytose impliquée dans l’internalisation et la transcytose est influencée par la longueur des chaines de PEG. En revanche, les différences de longueur des chaines de PEG ne modulent pas significativement l’expression des cytokines et de chimiokines inflammatoires. Ces résultats devraient contribuer à développer des nanoformulations qui traversent plus efficacement la BHE, tout en minimisant les effets toxiques, notamment inflammatoires sur les cellules endothéliales vasculaires de la BHE. Ces perspectives devront toutefois être confirmées sur des modèles in vivo., To date, imaging and treatment of brain tumors are proved to be very inefficient due to the presence of the blood-brain barrier (BBB). The (BBB) is a semipermeable barrier which prevents or restrains most therapeutic and diagnostic molecules reach the central nervous system (CNS). Polymeric nanoparticles (NPs) loaded by therapeutics molecules and diagnostic agents could represent a promising solution to help active ingredients to cross the BBB and as a consequence, their biodistribution to the brain could be improved. Polymeric NPs composed of di-block copolymers, such as poly (ethylene glycol) blocks (PEG) that bind to polyester hydrophobic chains, are considered one of the most versatile nanocarriers for transporting therapeutic molecules across the BBB. PEG on the surface of NPs improves the NPs colloidal stability. Furthermore, PEG surface coating decreases the non-specific adsorption of proteins on the surface of NPs (also called opsonization); therefore, the clearance rate of the NPs is slowed down and NPs circulation times in blood is extended. Despite the beneficial effect of the PEG coating on the surface of NPs, the exact role of the surface properties related to the PEG chain length on NPs interactions with the vascular endothelial cells is poorly understood. In first article, the role of PEG chain length on brain vascular endothelial cells endocytosis and transcytosis is investigated on monolayers of bend.3 cells as an in vitro BBB model. The NPs transport mechanisms were then investigated by using different endocytosis inhibitory processes. Our results revealed that NPs endocytosis and transcytosis rates increased with PEG chain length. Higher endocytosis and transcytosis rates were observed for PLA-PEG5000 and PLA-PEG10000 NPs. Moreover, the mechanistic studies demonstrated that the PEG chain length influenced the endocytosis pathway taken by PEGylated NPs through an in vitro model of BBB. In second article, the effect of PEG length on NPs cytotoxicity and inflammatory processes has been investigated in two vascular endothelial cell lines (bEnd.3 and HUVEC). The effect of PEG chain length coating on gene expression that are involved in the inflammation response was investigated by qPCR. Moreover, the potential Reactive Oxygen Species (ROS) generation was evaluated with DCFH-DA probe. The results showed that PEGylated NPs induce a mild and transient activation of inflammatory cytokine and chemokine genes. However, the length of the PEG chains did not modulate significantly gene expression of inflammatory cytokines and chemokines. Furthermore, our results showed that PEGylated NPs did not induce ROS generation. In summary, the chain length of PEG influences the endocytosis and transcytosis rate. The pathway of endocytosis involved in internalization and transcytosis is influenced by the length of PEG chains. In contrast, differences in the length of PEG chains did not significantly modulate the expression of cytokines and inflammatory chemokines. These results contribute to develop nanoformulations that cross the BBB more efficiently while keeping the toxic and inflammatory effects minimal, particularly on the vascular endothelial cells of the BBB. Nevertheless, these perspectives have to be confirmed on in vivo models.

La conception de nanoparticules (NPs) polymériques pour le transport de médicaments dans la peau repose sur la compréhension du rôle de leurs compositions chimiques sur leurs interactions avec la peau, notamment la peau pathologique. Ce travail s’est attaché à définir le rôle de la composante hydrophile des NPs sur l’administration cutanée d’un principe actif lipophile modèle (cholécalciférol). Il a été remarqué que la composition hydrophile de polymères amphiphiles à base de PLA conditionnait les propriétés physicochimiques des NPs, notamment la taille, la surface, et la structure, tout comme la protection du cholécalciférol. Concernant l’absorption cutanée sur peau intacte, la composante hydrophile de NPs de 100 nm a eu peu d’influence. Une absorption cutanée du cholécalciférol légèrement plus importante a toutefois été obtenue à partir des NPs très riches en PEG hydrophile en comparaison aux NPs peu PEGylées. À l’inverse sur peau lésée, les NPs hydrophobes et négativement chargées de PLA seul ont permis la meilleure absorption du cholécalciférol. D’une part, la dynamique de la structure des NPs très PEGylées a permis une meilleure mouillabilité de la peau et une possible extraction de lipides cutanés, pouvant faciliter l’absorption sur peau intacte. D’autre part, la composition de la peau a conditionné la structure des NPs, puisque, sur peau lésée, les espèces ioniques libérées de la peau ont déstabilisé les NPs peu ou non PEGylées. Par adhésion à la surface de la peau, les agrégats de PLA ont pu ainsi faciliter l’absorption sur peau lésée. Lors du développement de formulations de NPs, leur composition chimique est donc à optimiser selon l’état pathologique de la peau., The design of clinically efficient polymeric nanoparticles (NPs) for skin drug delivery is based on the understanding of the influence of NPs chemical composition on their interactions with the skin tissue, notably the pathological skin. The aim of this work was to determine the influence of the hydrophilic component of polymeric NPs on the delivery of a lipophilic model drug (cholecalciferol). It was noticed that the polymeric hydrophilic composition of amphiphilic PLA-based NPs conditioned the NPs physico-chemical properties, notably in terms of size, surface properties, structure and drug protection. With regard to absorption into intact skin, the hydrophilic composition of 100 nm NPs had little impact. Only a slightly greater skin absorption was obtained from NPs with high hydrophilic PEG content compared to weakly PEGylated NPs. On the contrary in impaired skin, hydrophobic and negatively charged non-PEGylated NPs (PLA NPs) provided the best drug absorption. On the one hand, the dynamic structure of highly PEGylated NPs providing better skin wettability and potential skin lipids extraction may have contributed for increased absorption in intact skin. On the other hand, skin condition altered the NPs structure since it was observed that a non-negligible quantity of ionic species was released from impaired skin, triggering the destabilization of weakly or non-PEGylated charged NPs. However, only PLA aggregates sedimented/adhered onto the skin surface, which could have facilitated absorption in impaired skin. The polymeric hydrophilic composition of NPs and the pathological skin condition are therefore essential points to consider when designing nanoformulations., Cotutelle avec le Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de Génie Pharmaceutique de l'Université Claude Bernard Lyon 1.

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives., The goal set to nanotechnologies applied to pharmaceutical sciences is to improve drug delivery and benefits with the help of nanometer-sized vehicles. At this time different types of drug carriers had been proposed. Amongst them, block copolymer nanoparticles (NP) have been designed to allow, at the same time, efficient drug encapsulation and provide surface properties (hydrophilic layer) to the NP which are necessary for its interactions with biological systems by preventing the opsonisation and the subsequent recognition by the mononuclear macrophage system (MPS) and the rapid elimination of the drug carrier. The most prominent polymer architecture in drug delivery application is the linear di-block copolymer architecture, such as poly(ethylene glycol) blocks (PEG) linked to a polyester hydrophobic chain. PEG is the gold standard to add a hydrophilic corona to drug carrier’s surface, but its efficacy is directly linked to its surface organization and surface densities. In spite of limited success of diblock at the clinical stage, few studies have been devoted to other type of architecture such as comb-like copolymers, either for the exploration of new synthesis routes or for the characterization of particles prepared from alternative architecture polymers. We attempted in preamble of this work to define more closely the conceptual and technical framework allowing quantitative determination of PEG surface densities. This review work has been used in the experimental work to define the characterization methods. Several synthesis strategies have been developed for the preparation of comb copolymers in this work. All strategies are based on random copolymerization of dilactide with small epoxy molecules with a pendant group suitable for subsequent PEG grafting, yielding a polyester-co-ether backbone. In a second step, PEG chains have been grafted on available pendant groups (alcohol groups or alkyne) to produce the final comb copolymers. In the first part of the experimental work, esterification reaction by acylation and coupling (the Steglish reaction) allowed the preparation of a first comb-like copolymer library with PEG content varying from 5 to 50 % (w/w). The number of PEG chains (PEG grafting density) was varying while the lengths of the PEG chains and the hydrophobic PLA backbone were kept constant. The library of comb-like polymers was used to prepare nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and NMR allowed the quantification of the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy, assessed by isothermal titration calorimetry (ITC), were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. In the second part of this work, grafting of PEG chains on a polyester-co-ether backbone was directly performed using cyclo-addition of PEG azide on pendant alkyne groups. The new strategy was designed to understand the contribution of PEG chains grafted on PLA backbone ends. The new polymer library was composed of PEG-g-PLA with different PEG grafting densities and PEG molecular weights (750, 2000 and 5000 D). PEG chain grafting could only take place on pendant groups with this approach. NPs were produced by different methods of nanoprecipitation, including “flash nanoprecipitation” and microfluidic technology. Some formulation variables such as polymer concentration and speed of mixing were studied in order to observe their effects on NP surface characteristics. Unlike for the first copolymer library, here the NPs size and zeta potential were found to not be much affected by the PEG content (% w/w in polymer). Sizes were also not affected by the PEG chains length. TEM images show round shaped object and as expected sizes were found to decrease with polymer concentration in the organic phase and with a decrease in mixing time of the two phases (for flash nanoprecipitation and microfluidic technology). PEG chain surface densities were assessed by quantitative 1H NMR and XPS. In the third experimental part, we explored the role of polymer architecture on drug encapsulation and release of curcumin from NPs. Curcumin has been chosen as a model with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. As previously observed with blank NPs, a sharp decrease in curcumin-loaded NP size and morphology change occurred between 15 to 20 % w/w of PEG. Drug loading, Drug loading efficiency and the diffusion coefficients of curcumin in NPs are showing a dependence over the polymer architecture. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. In a nutshell, our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers. The results obtained lead us to propose PEG-g-PLA comb architecture copolymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp., Polymeric nanoparticles (NPs) have shown promising results to be used as drug delivery carriers for controlled drug release and for targeting. The bioavailability of orally administrated drugs might be limited by an intestinal absorbed secretion process, which could in turn be mediated by P-glycoprotein (P-gp). The dispersion of Famotidine (drug model) within PEGylated nanoparticles (NPs) was evaluated in order to enhance the bioavailability using polyethylene glycol (PEG), which is known as a P-gp inhibitor. The hypothesis of this study is that the encapsulation of Famotidine into NPs prepared from PEG-g-PLA could inhibit the P-gp function. The first part of the study aimed to synthesize four copolymers of PEG grafted on a polylactide acid (PLA) polymer backbone (PLA-g-PEG) with ratios of 1 % and 5 % (molar ratio of PEG vs lactic acid monomer) of either 750 or 2000 Da molecular weights. These polymers have been used to prepare NPs loaded with Famotidine, which has low permeability and relatively low aqueous solubility. Prepared NPs were analyzed for their main physicochemical parameters such as size and size distribution, surface charge, morphology, encapsulation efficiency, percentage of residual poly(vinyl alcohol) (PVA) adsorbed at the surface of the NPs, thermal properties, crystalline structure and drug release. Also, NP formulations were tested in vitro on CaCo-2 monolayer cells in order to assess the bidirectional permeability of Famotidine. Generally speaking, NPs prepared from PLA-g-5%PEG grafted polymers showed improved drug permeability by inhibiting the P-gp efflux of Famotidine in the CaCo-2 in vitro model. Results showed a very significant decrease in the secretion of Famotidine from basolateral to apical when Famotidine was encapsulated in NPs prepared from 5 % grafting of either 750 or 2000 Da PEG, as well as in other combinations of physical mixtures containing PEG5%. The second part of the study is about those loaded NPs which showed promising results in terms of permeability and inhibition of P-gp efflux and which were selected to develop a solid oral dosage form. Dry granulation was used to densify NPs in order to develop tablets of the two selected NP formulations. NP based tablets showed a fast disintegration time (less than one minute) and a similar release profile as marketed Famotidine. The transport study of NP based tablets showed consistent results with NP formulations in terms of P-gp inhibition, which explains why the tablet’s manufacturing process had no effect on NPs. Our results demonstrated that the presence of hydrophilic polymers (PEG) on the surface of NPs grafted at 5 % PEG, irrespective to molecular weights, provides an effective way to control the interface between NPs and the biological systems (P-gp in this case) as they are designed to interact with. Taken together, these results show that encapsulation in a PEGylated polymeric NP could be a promising strategy to improve the oral bioavailability of P-gp substrates.

La production excessive de mucus visqueaux dans les poumons des patients atteints de la fibrose kystique (FK) gêne la diffusion des médicaments et entraîne des infections bactériennes. En effet, l’infection pulmonaire par Pseudomonas aeruginosa (PA) est la principale cause de mortalité. Les travaux effectués dans cette thèse avaient pour but de développer des nouvelles formulations de nanoparticules (NP) et de liposomes (LP) chargées avec des antibiotiques pour erradiquer le PA chez les patients atteints de KF. Tout d’abord, les polymères PEG-g-PLA et PLA-OH ont été synthétisés et caractérisés. Ensuite, l'efficacité d'encapsulation (EE) de la tobramycine, du sulfate de colistine et de la lévofloxacine (lévo) a été testée dans des NP de PEG-g-PLA et / ou PLA-OH. Les premiers essais d'optimisation ont montré que les NP chargées avec la lévo présentaient une augmentation de l’EE. La lévo reste alors le médicament de choix. Cependant, la meilleure charge de médicament obtenue était de 0,02% m/m. Pour cette raison, nous avons décidé d'évaluer l'encapsulation de la lévo dans les LP. En fait, des LP chargés de lévo ont présenté une EE d’environ 8% m/m. De plus, la taille et la charge de ces LP étaient appropriées pour la pénétration du vecteur dans le mucus. Le test de biofilm n'est pas reproductible, mais le test standard a montré que la souche mucoïde de PA était susceptible à la lévo. Ainsi, nous avons comparé les activités des LP fraîchement préparées (vides et chargés ) et de la lévo libre sous la forme planctonique de PA. Les résultats ont montré que des LP vides ne gênent pas la croissance bactérienne. Pour la souche mucoïde (Susceptible à la lévo) les LP chargés et le médicament libre ont présenté la même concentration minimale inhibitrice (CMI). Toutefois, les souches non mucoïdes (résistant à la lévo) ont présenté une CMI deux fois plus faible que celle pour le médicament libre. Finalement, les LP se sont avérés plus appropriés pour encapsuler des médicaments hydrophiles que les NP de PEG-g-PLA. En outre, les LP semblent améliorer le traitement contre la souche résistante de PA. Toutefois, des études complémentaires doivent être effectuées afin d'assurer la capacité des liposomes èa traiter la fibrose kystique., The increased production of viscoid mucus in the lungs of cystic fibrosis (CF) patients hinders the diffusion of therapeutics and favor bacterial infections. Indeed, lung infection by Pseudomonas aeruginosa (PA) relates with increased mortality in CF patients. This work is aimed at developing new antibiotic loaded nanoparticles and liposomes formulations to eradicate PA in CF. Firstly, PEG-g-PLA and PLA-OH polymers were synthesized and characterized. Afterwards, the loading efficiency (LE) of tobramycin, colistin sulfate and levofloxacin was evaluated in PEG-g-PLA and/or PLA-OH nanoparticles (NP). Early stage of optimization showed that levofloxacin NP exhibited increased LE thus this drug was selected for further optimization. However, the highest levofloxacin LE accomplished was 0.02% w/w. Thus, we decided to evaluate the levofloxacin LE into liposomes (LP). In fact, levofloxacin LP exhibited drug loading of 8% w/w with a size and charge suitable for mucus penetration. Preliminary evaluation of free tobramycin, colistin sulfate and levofloxacin against PA showed that the biofilm test was not reproducible. However, the traditional test in the planktonic form of PA showed that the mucoid strain was susceptible to levofloxacin. Thus, we evaluated fresh LP (blank and loaded) and free levofloxacin formulations against the planktonic form of PA (mucoid and non-mucoid strains). Results showed that blank LP did not interfere with the bacterial growth. Loaded LP presented similar minimal inhibitory concentration (MIC) for the susceptible mucoid strain and half MIC for the resistant nonmucoid strain when compared to the free drug. To conclude, LP seemed more appropriate to encapsulate hydrophilic drugs than polymeric PEG-g-PLA nanoparticles. Also, levofloxacin loaded LP seemed to improve the treatment against resistant strain of PA when compared to the free drug. However, further studies need to be performed to conclude whether levofloxacin LP are a promising option for the treatment of CF.

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire., The drug molecule vectorization is a very promising approach in terms of both medical and economical factors for the delivery of active substances with low bioavailability. In this context, the star polymers and dendrimers, symmetrical and branched macromolecules, seem to be more attractive solutions. Indeed, these structures can effectively combine a high stability in biological media and the ability to encapsulate active ingredients. Thanks to the well-defined architecture, they can achieve a high level of reproducibility of results, while avoiding the problem of polydispersity. In recent years, many dendritic structures have been proposed; however, the design of new effective dendritic nanocarriers is still relevant. This is due to many reasons such as related to biocompatibility, encapsulation efficiency of therapeutic agents, as well as economic reasons. In this project, new branched biocompatible macromolecules were designed, synthesized and evaluated. To increase their effectiveness as encapsulation agents for hydrophobic active principles, the structures of the proposed macromolecules include a hydrophobic central core on the basis of porphyrin, decanediol or modified triolein, and also a hydrophilic outer layer based on succinic acid and polyethylene glycol. The choice of structural elements of future dendrimers was based on the data on their biocompatibility and the results of our preliminary synthesis works, as well as the in silico simulations performed by using the method of molecular mechanics. The preliminary studies allowed for selecting the most promising compounds to effectively form polyesters macromolecules in well controlled manner, as well as to assess in advance the ability of future dendrimers to capture a drug molecule (itraconazole). During this phase, several new intermediates were obtained. The optimization of reaction conditions leading to high yields was performed. Based on the preliminary work, the assembly of new dendrimers of first and second generations was performed, by using the divergent and convergent synthesis approaches. The structures of new compounds were characterized by proton and 13C carbon NMR, FTIR, UV-Vis, elemental analysis, mass spectrometry, and GPC techniques. The biocompatibility of products was evaluated by cytotoxicity tests with MTT on murine RAW 262.7 macrophages. The ability to encapsulate hydrophobic active principles was studied by testing with itraconazole, an antifungal agent with low bioavalability. The size of nanoparticles formed in aqueous solutions was measured by the DLS technique. These measurements showed that all dendritic structures tend to form micelles, which excludes their application as unimolecular nanocapsules. The antifungal activity of itraconazole formulations with dendrimers was studied in a kind of a pathogenic fungus Candida albicans. These tests lead to the conclusion that to ensure the effectiveness of treatment, more control over the release of the active ingredient has been needed.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat avaient pour but de mettre au point des nouvelles formulations d’antifongiques sous forme de nanoparticules polymériques (NP) en vue d’améliorer l’efficacité et la spécificité des traitements antifongiques sur des souches sensibles ou résistantes de Candida spp, d’Aspergillus spp et des souches de Candida albicans formant du biofilm. Dans la première partie de ce travail, nous avons synthétisé et caractérisé un polymère à base de polyester-co-polyéther branché avec du poly(éthylène glycol) (PEG-g-PLA). En plus d’être original et innovant, ce co-polymère a l’avantage d’être non-toxique et de posséder des caractéristiques de libération prolongée. Trois antifongiques couramment utilisés en clinique et présentant une biodisponibilité non optimale ont été choisis, soient deux azolés, le voriconazole (VRZ) et l’itraconazole (ITZ) et un polyène, l’amphotéricine B (AMB). Ces principes actifs (PA), en plus des problèmes d’administration, présentent aussi d’importants problèmes de toxicité. Des NP polymériques encapsulant ces PA ont été préparées par une technique d’émulsion huile-dans-l’eau (H/E) suivie d’évaporation de solvant. Une fois fabriquées, les NP ont été caractérisées et des particules de d’environ 200 nm de diamètre ont été obtenues. Les NP ont été conçues pour avoir une structure coeur/couronne avec un coeur constitué de polymère hydrophobe (PLA) et une couronne hydrophile de PEG. Une faible efficacité de chargement (1,3% m/m) a été obtenue pour la formulation VRZ encapsulé dans des NP (NP/VRZ). Toutefois, la formulation AMB encapsulée dans des NP (NP/AMB) a montré des taux de chargement satisfaisants (25,3% m/m). En effet, le caractère hydrophobe du PLA a assuré une bonne affinité avec les PA hydrophobes, particulièrement l’AMB qui est le plus hydrophobe des agents sélectionnés. Les études de libération contrôlée ont montré un relargage des PA sur plusieurs jours. La formulation NP/AMB a été testée sur un impacteur en cascade, un modèle in vitro de poumon et a permis de démontrer le potentiel de cette formulation à être administrée efficacement par voie pulmonaire. En effet, les résultats sur l’impacteur en cascade ont montré que la majorité de la formulation s’est retrouvée à l’étage de collecte correspondant au niveau bronchique, endroit où se situent majoritairement les infections fongiques pulmonaires. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous avons testé les nouvelles formulations d’antifongiques sur des souches planctoniques de Candida spp., d’Aspergillus spp. et des souches de Candida albicans formant du biofilm selon les procédures standardisées du National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS). Les souches choisies ont démontré des résistances aux azolés et aux polyènes. Les études d’efficacité in vitro ont permis de prouver hors de tout doute que les nouvelles formulations offrent une efficacité nettement améliorée comparée à l’agent antifongique libre. Pour mettre en lumière si l’amélioration de l’efficacité antifongique était due à une internalisation des NP, nous avons évalué le comportement des NP avec les cellules de champignons. Nous avons procédé à des études qualitatives de microscopie de fluorescence sur des NP marquées avec de la rhodamine (Rh). Tel qu’attendu, les NP ont montré une localisation intracellulaire. Pour exclure la possibilité d’une simple adhésion des NP à la surface des levures, nous avons aussi confirmé leur internalisation en microscopie confocale de fluorescence. Il est important de noter que peu d’études à ce jour ont mis l’accent sur l’élaboration de nouvelles formulations d’antifongiques à base de polymères non toxiques destinées aux traitements des mycoses, donnant ainsi une grande valeur et originalité aux travaux effectués dans cette thèse. Les résultats probants obtenus ouvrent la voie vers une nouvelle approche pour contourner les problèmes de résistances fongiques, un problème de plus en plus important dans le domaine de l’infectiologie., The work done presented in this thesis was aimed to develop new formulations of antifungal drugs in order to improve the effectiveness and specificity of treatments. The formulations of polymeric NP encapsulated antifungals were tested on sensitive or resistant strains of Candida spp, Aspergillus spp and strains of Candida albicans that are able to develop biofilm structure. The first part of this work focussed on the synthesis and characterizations of a polyester-co-polyether polymer grafted with poly(ethylene glycol) (PEG-g-PLA). Besides being original and innovative, polymeric nanoparticles composed of PEG-g-PLA co-polymers have been used as drug delivery devices due to their biodegradable and biocompatible nature and controllable release characteristics. Three antifungal drugs (voriconazole, itraconazole and amphotericin B) commonly administered have been selected due to physicochemical properties and pharmacokinetics problems. In fact, these drugs are known to have significant delivery and toxicity issues. Polymeric nanoparticles were prepared by a high pressure homogenization oil-in-water emulsion method. Nanoparticles were designed in order to have an hydrophobic core (PLA) and a hydrophilic corona (PEG). Antifungal drugs were successfully incorporated into nanoparticles with appropiate mean diameters (~ 200 nm). Drug loading efficiency for VRZ was the lowest with 1,3% w/w of loading. A fraction of the VRZ was lost during the manufacturing process because of its solubility in water. However, AMB encapsulated in NP showed better loading efficiency (25,3% w/w). Indeed, the hydrophobic nature of PLA ensured a good affinity with the hydrophobic drugs, particularly for AMB who is the most hydrophobic of the selected drugs. Drug release study from new formulations showed a burst effet during 24 h followed by a prolonged release over several days. Furthermore, new formulation of AMB was tested on a cascade impactor, an in vitro lung model and successfully demonstrated the potential of this formulation to be administered effectively by the pulmonary route. Indeed, the results obtained showed that the majority of the formulation was found on the collection stage corresponding to the bronchial region, where is located predominantly pulmonary fungal infections. The second part of the thesis was aimed at testing the new formulations on planktonic strains of Candida spp and Aspergillus spp. and biofilm structure of Candida albicans according to NCCLS standardized procedures. The selected strains have demonstrated resistance to azoles and polyenes. Studies in vitro have proven that the new formulations offer significantly improved effictiveness compared to free antifungal agent. To evaluate if improved antifungal effectiveness was due to internalization of NP, we evaluated the behavior of NP with fungal cells. We conducted qualitative studies in fluorescence microscopy on NP labeled with rhodamine. As expected, the NP showed intracellular localization. To exclude the possibility of NP absorption on the surface of yeast cells, we also confirmed internalization by confocal fluorescence microscopy. Noteworthy, only a few studies have focused on the development of new formulations of antifungal drug, giving great value and originality of this work. Encouraging results pave the way to a new approach to overcome fungal resistance issues, a problem more acute in the field of fungal diseases.

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité., Biodegradable polymeric nanoparticles (NPs) have emerged as promising drug delivery carriers for the controlled drug release and targeting. The first part of this study aimed to develop biodegradable NPs from functionalized copolymers of poly (D,L-Lactide) (PLA). Those copolymers were explored as drug delivery systems in attempt to improve the drug delivery performance of conventional PLA NPs. The effect of PLA functionalization (insertion of chemical substituents onto PLA backbone) on the physicochemical properties of the obtained NPs was investigated. Moreover, the effect of polymer architecture (mode of organization of polymer chains in the resultant copolymer) on various drug delivery aspects was also studied. To reach those goals, various PLA based copolymers namely poly(ethylene glycol) (PEG) grafted on PLA backbone at 2.5% & 7% mol/mol of lactic acid monomers (PEG2.5%-g-PLA and PEG7%-g-PLA, respectively), palmitic acid grafted on PLA backbone at 2.5% grafting density (palmitic acid2.5%-g-PLA), and multiblock copolymer of PLA and PEG, (PLA-PEG-PLA)n were synthesized. In the second part, the effect of different PEG grafting densities over PLA backbone on the properties of PEG-g-PLA NPs either physicochemical or biological properties was investigated to reveal the optimal PEG grafting density required to develop stealth particles (long circulating NPs). Finally, functionalized PEG/PLA copolymers that showed the most satisfactory results in terms of various drug delivery aspects, such as size and size distribution, surface charge, drug loading, and controlled drug release were selected for encapsulation of itraconazole (ITZ) to improve its aqueous solubility, bioavailability and hence its antifungal activity. NPs were first prepared from functionalized PLA copolymers then analyzed for their major physicochemical parameters such as encapsulation efficiency, size and size distribution, surface charge, thermal properties, surface chemistry, % poly(vinyl alcohol) (PVA) adsorbed at the surface of NPs, and drug release pattern. Surface chemistry analysis using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and atomic force microscopy (AFM) phase imaging were used to study the chain organization behavior of each functionalized copolymer during NPs formulation. Generally speaking, functionalized PEG/PLA copolymers showed improved drug delivery behavior in terms of narrow size and size distribution, enhanced loading efficiency, less plasma protein adsorption onto their surfaces and less macrophage uptake, and finally better antifungal activity for ITZ loaded NPs. For the surface chemistry analysis, AFM phase imaging and XPS studies revealed the possibility of existence of more PEG chains at the surface of PEG-g-PLA NPs than (PLA-PEG-PLA)n during NPs formation. Our results demonstrate that properties of PLA-based NPs can be tuned by proper selection of both polymer composition and polymer architecture. Results also suggest that PEG-g-PLA copolymers could be used efficiently as a nanocarrier to improve various drug properties e.g. solubility, stability, and bioavailability.

Le vétérinaire aide le producteur laitier à garder son troupeau en santé. Lorsqu’une vache est malade, il peut prescrire des antibiotiques. Le cas échéant, le lait de la vache traitée aux antibiotiques est jeté. Il n’est donc pas vendu pour consommation. Tout le lait produit est analysé avant d’être pasteurisé et transformé afin de s’assurer que les produits laitiers ne contiennent pas de résidus d’antibiotiques. Si les analyses indiquent que le lait renferme des traces d’antibiotiques, il est jeté et le producteur en cause doit assumer la perte. Les épreuves de dépistage actuelles de ces résidus médicamenteux sont onéreuses et inapplicables sur le terrain. Pour résoudre cette problématique aux pieds de la vache, la solution proposée dans ce projet est la fabrication d’un kit de détection basé sur les polymères à empreinte moléculaire. Il s’agit de polymères dont la conformation moléculaire est complémentaire à celle des antibiotiques. Dans ce projet, il est question d’améliorer l’efficacité des épreuves de dépistages des résidus de tétracyclines en augmentant le nombre de sites d’interaction entre l’antibiotique et des polyesters. Trois polymères sont utilisés portant respectivement des groupements aromatiques, carboxyliques et hydroxyles. Une étude antérieure dans notre laboratoire avait déjà donné un pourcentage de rétention de tétracycline de 50% pour une composition de 1/3 PLAOH- 1/3 PLACOOH- 1/3 PLAOBn. Avec des ajustements, le pourcentage passe à 38.93 % pour une composition de 1/4 PLAOH- 1/2 PLACOOH- 1/4 PLAOPh, de 44.81 % pour une composition de 1/4 PLACOOH- 1/2 PLAOH- 1/4 PLAOPh, de 66.34 %pour une composition de 1/4 PLAOH- 1/4 PLACOOH- 1/2 PLAOPh et de 78.07 % pour une composition de 1/6 PLAOH- 1/6 PLACOOH- 2/3 PLAOPh. Notre hypothèse était que la présence accrue du groupement phényle augmenterait le nombre de sites d’interaction spécifique avec l’antibiotique augmentant ainsi le pourcentage de rétention de l’antibiotique à travers les MIP. Les résultats ont confirmé cette hypothèse., The veterinarian is helping the dairy farmer to keep his flock healthy. When a cow is sick, he may prescribe antibiotics. But in that case, the cow milk treated with antibiotics is discarded, and not sold for consumption. All milk products are analyzed before being pasteurized and processed to ensure that dairy products do not contain residues of antibiotics. If the analyses show that milk contains traces of antibiotics, it is discarded and the producer must bear the loss. On place, the current screening tests for drug residues are expensive and inapplicable. To resolve this problem at the feet of the cow, the solution proposed in this project is the production of a detection kit based on molecular imprinted polymers. These are polymers whose molecular conformation is complementary to that of antibiotics. This project is about improving the effectiveness of screening tests for residues of tetracyclines by increasing the number of interaction sites between the antibiotic and polyester. Three polymers are used respectively, aromatic, carboxyl and hydroxyl groups. A previous study in our laboratory had already shown a tetracycline retention percentage of 50% for a composition of 1 / 3 PLAOH-1 / 3 PLACOOH-1 / 3 PLAOBn. After variation in the polymers ratio, the percentage obtained is, 38.93 % for a composition of 1 / 4 PLAOH-1 / 2 PLACOOH-1 / 4 PLAOPh, 44.81 % for a composition of 1 / 4 PLACOOH- 1 / 2 PLAOH- 1 / 4 PLAOPh, 66.34 % for a composition of 1/4 PLAOH- 1/4 PLACOOH- 1/4 PLAOPh and 78.07 % for a composition of 1/6 PLAOH- 1 / 6 PLACOOH- 2 / 3 PLAPh. Our hypothesis was that the increase of the amount of the phenyl group, increases the number of specific interaction sites with the antibiotic, and so increases the percentage of retention of the antibiotic through the MIP. The results confirmed this hypothesis.

Cette thèse rapporte l’étude des propriétés physicochimiques des nanoparticles polymériques et leur impact sur l’interaction avec les cellules vivantes. Nous nous sommes tout spécialement attachés à étudier l’effet des propriétés adhésives et mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration de la membrane cellulaire. Pour ce faire, nous avons tout d’abord utilisé des nanoparticules d’acide polylactique (PLA) fonctionnalisées en surface avec un ligand des sélectines E et P. Le greffage du ligand sur la particule s’est fait par une nouvelle méthode expérimentale garantissant la présence du ligand à la surface de la particule durant toute sa durée de vie. Cette méthode consiste à mélanger un polymère fonctionnalisé avec le ligand avec un autre polymère non fonctionnalisé. La présence du ligand à la surface des nanoparticules formées à partir de ce mélange de polymères a été confirmée par analyse ToF SIMS. Nous avons pu prouver que les particules possédant le ligand greffé à leur surface démontraient une capacité adhésive supérieure à leurs homologues non fonctionnalisés sur des cellules endothéliales HUVEC activées par différentes drogues. De plus, le captage des particules par les cellules HUVEC est modulé par le niveau d’expression des récepteurs selectine E et P et aussi par la quantité de ligand libre. Ces résultats montrent clairement que le greffage du ligand confère aux particules des propriétés adhésives accrues et spécifiques ce qui permet leur usage postérieure comme vecteur pharmaceutique capable de cibler un récepteur particulier à la surface d’une cellule. Nous avons aussi démontré que l’interaction entre les nanoparticules et la membrane cellulaire peut aussi être contrôlée aussi bien par les propriétés mécaniques de la cellule que de la nanoparticule. Dans une première étape, nous avons mesuré à l’aide de l’appareil de forces de surface l’élasticité de cellules macrophagiques déposées sur différents substrats. En contrôlant l’interaction entre la cellule et le substrat sur lequel elle repose nous avons montré qu’il était possible de modifier à ii volonté les propriétés mécaniques cellulaire. Une augmentation de l’élasticité cellulaire s’accompagne d’une augmentation systématique de l’internalisation de nanoparticules de PLA non fonctionnalisées. Ceci suggère un rôle prépondérant des propriétés mécaniques du cortex cellulaire dans le captage des nanoparticules de PLA. Dans une seconde étape, nous avons étudié l’effet des propriétés mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration cellulaire. Pour ce faire, nous avons synthétisé des particules d’hydrogel dont l’élasticité était contrôlée par le degré d’agent réticulant inclus dans leur formulation. Le contrôle des propriétés mécaniques des nanoparticules a été confirmé par la mesure du module de Young des particules par microscopie de force atomique. L’impact des propriétés mécaniques de ces particules sur leur capacité de pénétration dans les cellules vivantes a été étudié sur des cellules macrophagiques de souris. Les résultats ont montré que la cinétique d’internalisation, la quantité de particules internalisées et le mécanisme d’internalisation dépendent tous du module de Young des nanoparticules. Aucune différence dans le trajet intracellulaire des particules n’a pu être observée malgré le fait que différentes voies d’internalisation aient été observées. Ce dernier résultat peut s’expliquer par le fait que les nanoparticules sont internalisées par plusieurs voie simultanément ce qui facilite leur accumulation dans les organelles digestives intracellulaires. Un modèle simple permettant d’expliquer ces résultats a été proposé et discuté., This thesis reports the study of physical chemical properties of polymeric nanoparticles and their impact on the interaction with living cells. In particular we endeavoured to study the effect of the adhesive and mechanical properties of the vector on its capacity of penetration of the cellular membrane. With this intention, we firstly used nanoparticules of polylactic acid (PLA) functionalized on their surfaces with a ligand of the selectines E and P receptor. The grafting of the ligand on the particle’s surface was carried out thanks to a new experimental method guaranteeing the presence of the active molecule on the surface of the particle during its whole life cycle. This method consists in mixing a polymer functionalized with the ligand with another polymer not functionalized. The presence of the ligand on the surface of the nanoparticules formed starting from this mixture of polymers was confirmed by ToF SIMS analysis. We could show that the particles having the ligand grafted on their surface exhibit a higher adhesive capacity than their non-functionalized counterpart on endothelial cells HUVEC activated by various drugs. Nanoparticles adhesion on cells membrane was modulated by the level of expression of the receptors selectine E and P and also by the quantity of free ligand. These results show clearly that the functionalized particles possess all the characteristics of a pharmaceutical vector capable of targeting a particular receptor on a cell surface. The interaction between nanoparticules and cellular membrane can also be controlled by the mechanical properties of the cell as well as of the nanoparticule. To demonstrate it we have measured the elasticity of macrophagic cells deposited on various substrates using the SFA. We have thus showed that it was possible to control the cell mechanical properties at will by controlling the interaction between the cell and the substrate on which it rests. An increase of the cell elasticity is accompanied by an increase of the internalization of non-functionalized PLA nanoparticules. This suggests a major role of cytocortical mechanical properties in the capture of hard PLA particles. iv Lastly, we studied the effect of the mechanical properties of the nanoparticules on their cellular penetration capacity. With this intention, we synthesized hydrogel particles whose elasticity was controlled by the degree of crosslinking agent included in their formulation. The control of the mechanical properties of the nanoparticules was confirmed by the measurement of the Young modulus of the particles by AFM. The interaction of these particles with macrophagess showed that the mechanical properties of the particles affect various aspects related to the internalization of the nanoparticles. The internalization kinetics, the quantity of internalized particles and the mechanism of internalization depend all on the Young modulus of the nanoparticules. No differences in the intracellular pathway could be observed in spite of the fact that various pathways of internalization were observed for these nanoparticules. This last result can be explained by the fact that the nanoparticules are internalized by several mechanisms of simultaneously which facilitates their accumulation in intracellular digestive organelles. A simple model explaining these results is proposed and discussed.

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

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.