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Background: Radiotherapy (RT) is commonly used in the management of digestive tumors, including rectal cancer (RC) and pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but with distinct indications. RT is often combined with chemotherapy to increase efficiency but at the cost of important toxicity, leaving out fragile patients. Naturally occurring bioactive food components (BFCs), including resveratrol and capsaicin, may potentiate the antitumor effect of ionizing radiation. This radiosensitization may be of great interest if surrounding healthy tissues are spared. Moreover, the combination of BFCs may provide an improved anti-tumor effect. Objectives: This work evaluated resveratrol and capsaicin radiosensitization of PDAC and RC models and explored mechanisms involved in their tumor-specific action, at the cellular and molecular levels. Methods: Cell survival was evaluated in vitro in the presence of BFCs on different pancreatic and colorectal tumor and non-tumor cell lines. Resveratrol metabolization was evaluated by mass spectrometry, and correlated with the expression of UDP-glucosyltransferases 1A (UGT1A) genes by RT-qPCR. The expression of UGT1A genes in human colorectal tissues was studied with RNAseq databases available online. Functional validation of UGT1A enzymes implication in resveratrol sensitivity of colorectal cells established by UGT1A expression modulation. Radiosensitization was assessed by apoptosis induction and cell cycle impact exploration. Molecular pathways involved in radiosensitization were analyzed by western blotting. In vivo radiosensitization analysis was tested on subcutaneous human tumor cell xenografts. Results: Resveratrol (R) and capsaicin (C) were more cytotoxic toward tumor cells and this effect was enhanced in combination. Concomitantly, cell cycle was arrested and apoptosis was induced. In addition, resveratrol resistance was related to the expression of UGTs in intestinal tumor and non-tumor cell lines. UGT1A8 and UGT1A10 gene expression were downregulated in CRC tumor tissues in comparison to matched healthy tissues. This down expression was correlated to the prognostic of CRC patients. Downregulation of UGT1A10 gene expression by shRNA in an initial resveratrol resistant cell line reduced resveratrol metabolization capacity and increased resveratrol toxicity. Conversely, overexpression of the UGT1A10 gene in an initial resveratrol sensitive tumor cell line increased the metabolization accompanied by decreased cytotoxicity. Resveratrol affected intestinal sensitive tumor cell homeostasis with a cell-size increase, cell-cycle modulation, and decreased uridylate nucleotide levels, resulting in a global reduction of transcription and translation. This impact on global cell activity was restricted to tumor cells. Xenografted tumors were radiosensitized by resveratrol and capsaicin associated with a cell cycle arrest and an increase in apoptosis. Moreover, a better tumor growth control was obtained for mice irradiated and treated with the BFCs combination compared to mice receiving radiotherapy only. Finally, the radiosensitization unbalanced the radio-induced DNA repair pathway to promote apoptosis in the PDAC tumor model. Conclusions: BFCs are potent radiosensitizers on digestive tumor cells. Resveratrol exhibits tumor-specific cytotoxicity with a functional relationship to UGT1A genes expression in digestive tumor cells and tissues. Moreover, BFCs and in particular resveratrol affect global tumor cell homeostasis, by impairing basic cell functions such as transcription, translation and DNA repair pathways. The combination of resveratrol and capsaicin radiosensitizes pancreatic and colorectal tumors in preclinical mouse models. This work positions BFCs as very potent alternative solutions for radiosensitization of tumors, without systemic side effect often observed with conventional chemotherapy., Contexte : La radiothérapie (RT) est couramment utilisée pour la prise en charge des tumeurs digestives, notamment le cancer du rectum (RC) et l'adénocarcinome du canal pancréatique (PDAC). La RT est souvent associée à la chimiothérapie pour en augmenter l'efficacité, au prix d'une toxicité importante. La radiochimiothérapie ne peut donc être proposée à tous les patients. Les composants bioactifs (BFC) d'origine naturelle, dont le resvératrol et la capsaïcine, peuvent potentialiser l'effet antitumoral des rayonnements ionisants. Cette radiosensibilisation peut être d'un grand intérêt si les tissus sains environnants sont épargnés. Objectifs : Ce travail a évalué la radiosensibilisation de modèles de PDAC et de RC par le resvératrol et la capsaïcine et a exploré les mécanismes impliqués dans leur action spécifique aux tumeurs, aux niveaux cellulaire et moléculaire. Méthodes : La survie cellulaire a été évaluée in vitro en présence de BFC sur différentes lignées cellulaires tumorales et non tumorales de PDAC et CRC. La métabolisation du resvératrol a été évaluée par spectrométrie de masse et corrélée avec l'expression des gènes des UDP-glucosyltransferases 1A (UGT1A ) par RT-qPCR. L'implication des enzymes UGT1A dans la sensibilité au resvératrol des cellules colorectales a été établie par modulation de l'expression des UGT1A. L’effet radiosensibilisant des BFCs a été évalué via l’exploration des processus d’apoptose et de leur impact sur le cycle cellulaire. Les voies moléculaires impliquées dans la radiosensibilisation ont été analysées par western blot. L'analyse de radiosensibilisation in vivo a été testée sur des xénogreffes de cellules tumorales humaines sous- cutanées. Résultats : Le resvératrol (R) et la capsaïcine (C) présentaient un effet cytotoxique sur les cellules tumorales et cet effet était renforcé par leur combinaison. Parallèlement, le cycle cellulaire était arrêté et l'apoptose induite. La résistance au resvératrol était liée à l'expression des gènes UGT1A dans les lignées digestives tumorales et non tumorales. L’inhibition de l'expression du gène UGT1A10 par shRNA permettait de réduire la métabolisation du resvératrol et augmentait sa toxicité. À l'inverse, lasurexpression du gène UGT1A10 augmentait la métabolisation et s’accompagnait d'une diminution de la cytotoxicité. Le resvératrol affectait l'homéostasie des cellules tumorales intestinales avec notamment une diminution des niveaux de nucléotides pyrimidiques, aboutissant à une réduction globale de la transcription et de la traduction. Cet effet n’était pas observé sur les cellules non-tumorales. Le resvératrol et la capsaïcine radiosensibilisaient les tumeurs xénogreffées en induisant un arrêt du cycle cellulaire et à une augmentation de l'apoptose. De plus, un meilleur contrôle de la croissance tumorale était obtenu pour les souris irradiées et traitées par les BFCs par rapport aux souris recevant uniquement la RT. Enfin, le traitement par BFCs engendrait un déséquilibre de la voie de réparation de l'ADN radio-induite amplifiant le phénomène apoptotique dans le modèle murin de tumeur PDAC. Conclusions : Les BFCs représentent des agents radiosensibilisants des tumeurs digestives prometteurs. Le resvératrol présente une cytotoxicité spécifique aux tumeurs lié fonctionnellement avec l'expression des gènes UGT1A dans les cellules et les tissus tumoraux digestifs. De plus, les BFCs et en particulier le resvératrol affectent l'homéostasie globale des cellules tumorales, en altérant les fonctions cellulaires de base. La combinaison du resvératrol et de la capsaïcine radiosensibilise les tumeurs pancréatiques et colorectales dans des modèles précliniques murins. Ces travaux positionnent les BFCs comme des solutions alternatives pour la radiosensibilisation des tumeurs, sans effet secondaire systémique souvent observé avec la chimiothérapie conventionnelle.

Background: Radiotherapy (RT) is commonly used in the management of digestive tumors, including rectal cancer (RC) and pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but with distinct indications. RT is often combined with chemotherapy to increase efficiency but at the cost of important toxicity, leaving out fragile patients. Naturally occurring bioactive food components (BFCs), including resveratrol and capsaicin, may potentiate the antitumor effect of ionizing radiation. This radiosensitization may be of great interest if surrounding healthy tissues are spared. Moreover, the combination of BFCs may provide an improved anti-tumor effect. Objectives: This work evaluated resveratrol and capsaicin radiosensitization of PDAC and RC models and explored mechanisms involved in their tumor-specific action, at the cellular and molecular levels. Methods: Cell survival was evaluated in vitro in the presence of BFCs on different pancreatic and colorectal tumor and non-tumor cell lines. Resveratrol metabolization was evaluated by mass spectrometry, and correlated with the expression of UDP-glucosyltransferases 1A (UGT1A) genes by RT-qPCR. The expression of UGT1A genes in human colorectal tissues was studied with RNAseq databases available online. Functional validation of UGT1A enzymes implication in resveratrol sensitivity of colorectal cells established by UGT1A expression modulation. Radiosensitization was assessed by apoptosis induction and cell cycle impact exploration. Molecular pathways involved in radiosensitization were analyzed by western blotting. In vivo radiosensitization analysis was tested on subcutaneous human tumor cell xenografts. Results: Resveratrol (R) and capsaicin (C) were more cytotoxic toward tumor cells and this effect was enhanced in combination. Concomitantly, cell cycle was arrested and apoptosis was induced. In addition, resveratrol resistance was related to the expression of UGTs in intestinal tumor and non-tumor cell lines. UGT1A8 and UGT1A10 gene expression were downregulated in CRC tumor tissues in comparison to matched healthy tissues. This down expression was correlated to the prognostic of CRC patients. Downregulation of UGT1A10 gene expression by shRNA in an initial resveratrol resistant cell line reduced resveratrol metabolization capacity and increased resveratrol toxicity. Conversely, overexpression of the UGT1A10 gene in an initial resveratrol sensitive tumor cell line increased the metabolization accompanied by decreased cytotoxicity. Resveratrol affected intestinal sensitive tumor cell homeostasis with a cell-size increase, cell-cycle modulation, and decreased uridylate nucleotide levels, resulting in a global reduction of transcription and translation. This impact on global cell activity was restricted to tumor cells. Xenografted tumors were radiosensitized by resveratrol and capsaicin associated with a cell cycle arrest and an increase in apoptosis. Moreover, a better tumor growth control was obtained for mice irradiated and treated with the BFCs combination compared to mice receiving radiotherapy only. Finally, the radiosensitization unbalanced the radio-induced DNA repair pathway to promote apoptosis in the PDAC tumor model. Conclusions: BFCs are potent radiosensitizers on digestive tumor cells. Resveratrol exhibits tumor-specific cytotoxicity with a functional relationship to UGT1A genes expression in digestive tumor cells and tissues. Moreover, BFCs and in particular resveratrol affect global tumor cell homeostasis, by impairing basic cell functions such as transcription, translation and DNA repair pathways. The combination of resveratrol and capsaicin radiosensitizes pancreatic and colorectal tumors in preclinical mouse models. This work positions BFCs as very potent alternative solutions for radiosensitization of tumors, without systemic side effect often observed with conventional chemotherapy., Contexte : La radiothérapie (RT) est couramment utilisée pour la prise en charge des tumeurs digestives, notamment le cancer du rectum (RC) et l'adénocarcinome du canal pancréatique (PDAC). La RT est souvent associée à la chimiothérapie pour en augmenter l'efficacité, au prix d'une toxicité importante. La radiochimiothérapie ne peut donc être proposée à tous les patients. Les composants bioactifs (BFC) d'origine naturelle, dont le resvératrol et la capsaïcine, peuvent potentialiser l'effet antitumoral des rayonnements ionisants. Cette radiosensibilisation peut être d'un grand intérêt si les tissus sains environnants sont épargnés. Objectifs : Ce travail a évalué la radiosensibilisation de modèles de PDAC et de RC par le resvératrol et la capsaïcine et a exploré les mécanismes impliqués dans leur action spécifique aux tumeurs, aux niveaux cellulaire et moléculaire. Méthodes : La survie cellulaire a été évaluée in vitro en présence de BFC sur différentes lignées cellulaires tumorales et non tumorales de PDAC et CRC. La métabolisation du resvératrol a été évaluée par spectrométrie de masse et corrélée avec l'expression des gènes des UDP-glucosyltransferases 1A (UGT1A ) par RT-qPCR. L'implication des enzymes UGT1A dans la sensibilité au resvératrol des cellules colorectales a été établie par modulation de l'expression des UGT1A. L’effet radiosensibilisant des BFCs a été évalué via l’exploration des processus d’apoptose et de leur impact sur le cycle cellulaire. Les voies moléculaires impliquées dans la radiosensibilisation ont été analysées par western blot. L'analyse de radiosensibilisation in vivo a été testée sur des xénogreffes de cellules tumorales humaines sous- cutanées. Résultats : Le resvératrol (R) et la capsaïcine (C) présentaient un effet cytotoxique sur les cellules tumorales et cet effet était renforcé par leur combinaison. Parallèlement, le cycle cellulaire était arrêté et l'apoptose induite. La résistance au resvératrol était liée à l'expression des gènes UGT1A dans les lignées digestives tumorales et non tumorales. L’inhibition de l'expression du gène UGT1A10 par shRNA permettait de réduire la métabolisation du resvératrol et augmentait sa toxicité. À l'inverse, lasurexpression du gène UGT1A10 augmentait la métabolisation et s’accompagnait d'une diminution de la cytotoxicité. Le resvératrol affectait l'homéostasie des cellules tumorales intestinales avec notamment une diminution des niveaux de nucléotides pyrimidiques, aboutissant à une réduction globale de la transcription et de la traduction. Cet effet n’était pas observé sur les cellules non-tumorales. Le resvératrol et la capsaïcine radiosensibilisaient les tumeurs xénogreffées en induisant un arrêt du cycle cellulaire et à une augmentation de l'apoptose. De plus, un meilleur contrôle de la croissance tumorale était obtenu pour les souris irradiées et traitées par les BFCs par rapport aux souris recevant uniquement la RT. Enfin, le traitement par BFCs engendrait un déséquilibre de la voie de réparation de l'ADN radio-induite amplifiant le phénomène apoptotique dans le modèle murin de tumeur PDAC. Conclusions : Les BFCs représentent des agents radiosensibilisants des tumeurs digestives prometteurs. Le resvératrol présente une cytotoxicité spécifique aux tumeurs lié fonctionnellement avec l'expression des gènes UGT1A dans les cellules et les tissus tumoraux digestifs. De plus, les BFCs et en particulier le resvératrol affectent l'homéostasie globale des cellules tumorales, en altérant les fonctions cellulaires de base. La combinaison du resvératrol et de la capsaïcine radiosensibilise les tumeurs pancréatiques et colorectales dans des modèles précliniques murins. Ces travaux positionnent les BFCs comme des solutions alternatives pour la radiosensibilisation des tumeurs, sans effet secondaire systémique souvent observé avec la chimiothérapie conventionnelle.

Chordomas are rare slow growing tumors of the axial skeleton. These tumors are locally aggressive, refractory to conventional therapies, and currently untreatable. Radical surgery and radiations remain the first-line treatments. Despite these aggressive treatments, chordomas often recur and second-line treatment options are limited. The mechanisms underlying chordoma radioresistance remain unknown, although several radioresistant cancer cells have been shown to respond favorably to aldehyde dehydrogenase (ALDH) inhibition. The study of chordoma has been delayed by small patient cohorts and few available models due to the scarcity of these tumors. We thus determined i) the transcriptomic signature of a cohort of 13 chordomas samples by RNA sequencing; ii) created cellular 3D models of chordoma by using low-adherence culture systems and iii) determined whether pharmacologically inhibiting ALDH increased their radiosensitivity. We found that chordoma samples have a unique transcriptomic signature characterized by a strong expression of hypoxia and glycolysis signaling pathways. Moreover, 3D cellular models of chordoma (derived from primary, relapse and metastatic tumors) reproduce histological and gene expression features of the disease. The metastatic, relapse and primary spheroids displayed high, medium and low radioresistance, respectively. Finally, inhibiting ALDH decreased the radioresistance in all three models., Les chordomes sont de rares tumeurs du squelette axial à croissance lente qui sont très agressives localement et ont un potentiel métastatique modéré. Ces tumeurs sont résistantes aux thérapies conventionnelles et restent à ce jour sans traitement spécifique. La prise en charge des patients consiste en une résection chirurgicale de la tumeur avec pour objectif d’obtenir des marges saines, accompagnée de radiothérapie à hautes doses. Malgré cette première ligne de traitement agressive, les récidives locales sont fréquentes et les options de traitement de seconde ligne sont limitées. Les mécanismes de radiorésistance restent à ce jour inconnus. L’étude des chordomes est rendue difficile par sa rareté qui est reflétée par le faible nombre d’analyses omiques réalisées, souvent sur de faibles cohortes, et par le manque de modèles d’étude. Ce projet de thèse avait donc pour objectifs : i) de compléter la signature transcriptomique des chordomes en le comparant aux autres sarcomes, ii) de développer et de caractériser des modèles cellulaires 3D dans le but iii) d’évaluer la faisabilité d’une approche radiosensibilisante dans ces tumeurs. Cette étude a montré que le chordome a un répertoire d’expression génique spécifique, qui repose sur une forte activité des voies de signalisation de l’hypoxie et de la glycolyse. Ces travaux ont également montré que les modèles cellulaires 3D de chordome établis sont représentatifs de la maladie en termes d’d’histologie, d’expression génique et de résistance à la radiothérapie. Enfin, cette étude a montré le bénéfice d’une approche radiosensibilisante dans le chordome par l’inhibition de l’activité aldéhyde déshydrogénase.

In the last few years, nanoparticles (NP) have been of growing interest in the field of oncology for enhancing the therapeutic efficacy of cancer treatment modalities. These organic or inorganic NPimprove the effectiveness of some pre-existing treatments as surgery, cancer chemotherapy andimmunotherapy. With regard to radiotherapy, one of the principal means of patient cancertreatment, it has to face the increasing number of tumors described as “radioresistant” due to lowdoses often delivered in order to limit the effect of radiation on healthy tissue. One of the mostpromising strategy relies on high atomic number NP (e.g. gold, platinum, hafnium or gadolinium)used as radiosensitizers for their capacity to enhance radiation damage once in the tumormicroenvironment. This technological advance could getting an unprecedented development if theirtumor concentration was not only based on passive targeting via the EPR effect, but on the tumorspecific targeting for potentiating the effect of ionizing radiations while limiting side effects to healthytissues and thus improving therapeutic efficacy.Thus, the work reported in this thesis concerns the development of silica NP constituted of afluorescent core of rhodamine, chelating several gadolinium atoms and able to specifically targetcancer cells with an immunopretargeting system based on SPAAC («Strain Promoted Alkyne-AzideCycloaddition ») bioorthogonal chemistry. This strategy relies on the two-step active targeting: (1) anantibody modified by an azide bioorthogonal entity would first be administered; (2) then, NPfunctionalized with complementary bioorthogonal entities (azadibenzylcyclooctyne, ADIBO) would beinjected in a second time after clearance of the modified antibody not located at the tumor site. Thespecific covalent binding NP/antibody via the SPAAC ligation (ADIBO/N3) should thus permit toimprove NP tumor concentration and potentiate their therapeutic effect.NP surface functionalization was performed according to an automated supported synthesisusing phosphoramidite chemistry. This technique allowed the surface incorporation of the ADIBObioorthogonal entities and also of the macrocycles DOTA for gadolinium chelation. Grafting of thedifferent chemical functions and molecules and their quantification were conducted by variouscharacterization techniques (fluorescence, absorption, DLS, ICP-MS). In the second part of this work,antibodies were efficiently functionalized by azide bioorthogonal entities, complementary of ADIBOfunctions according to SPAAC ligation. After quantification and validation of their reactivity by MALDI-TOF and fluorescence studies, the best immunoconjugate has been selected to perform in vitrostudies by confocal microscopy. Despite different studies carried out in this project, it has not beenyet possible to demonstrate the feasibility of this approach. Nevertheless, these NP obtained withboth bioorthogonal entities and gadolinium atoms suggests other interesting perspectives for application as theranostics., Les nanoparticules (NP) ont fait l’objet de nombreuses avancées technologiques dans le domaine de la cancérologie au cours de la dernière décennie. Ces NP organiques ou inorganiques permettent ainsi d’améliorer l’efficacité de certains traitements préexistants à la fois en chirurgie, en chimiothérapie anticancéreuse ou encore l’immunothérapie. Concernant la radiothérapie externe, qui représente l’une des modalités de référence pour traiter le cancer au cours du parcours de soin d’un patient, elle se heurte le plus souvent aux tumeurs dites radio-résistantes du fait de l’administration de doses délivrées souvent trop faibles afin de limiter l’irradiation des tissus sains environnants. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste ainsi à utiliser des NP à base d’atomes lourds (comme l’or, le platine, l’hafnium ou le gadolinium) en tant qu’agents radiosensibilisants, qui une fois concentrées au niveau tumoral permettent d’augmenter l’efficacité de la radiothérapie externe. Cette avancée technologique pourrait connaître un essor sans précédent si leur concentration tumorale ne reposait pas simplement sur un ciblage passif via l’effet EPR mais sur l’adressage spécifique de ces NP novatrices principalement au niveau tumoral afin de potentialiser l’effet des rayons ionisants tout en limitant les effets secondaires vis-à-vis des tissus sains et ainsi améliorer l’efficacité thérapeutique.Les travaux présentés dans cette thèse porte ainsi sur l’adressage actif de NP de silice à cœur rhodamine, pouvant chélater plusieurs atomes de gadolinium, selon une approche d’immunopréciblage par chimie bioorthogonale SPAAC (Strain Promoted Alkyne-Azide Cycloaddition). Cette stratégie repose sur un ciblage actif en deux temps: (1) un anticorps modifié par une entité bioorthogonale de type azoture serait tout d’abord administré; (2) puis, des NP fonctionnalisées avecdes entités bioorthogonales complémentaires (azadibenzylcyclooctyne, ADIBO) seraient injectées dans un second temps après clairance de l’anticorps modifié non localisé au niveau tumoral. La liaison covalente spécifique NP/anticorps via la ligation SPAAC (ADIBO/N3) devrait ainsi permettre d’améliorer la concentration tumorale des NPs et ainsi potentialiser leur effet thérapeutique. La fonctionnalisation de surface des NP a été réalisée selon un procédé automatisé de synthèse supportée utilisant une chimie de synthèse dite «aux phosphoramidites». Cette technique a permis d’introduire en surface les entités bioorthogonales ADIBO ainsi que des macrocycles DOTA permettant de chélater les atomes de gadolinium. Le greffage de ces différentes molécules ainsi queleur quantification ont ensuite été confirmés par diverses techniques de caractérisation(fluorescence, absorbance, DLS, ICP-MS). Dans la deuxième partie de ces travaux de recherche, les anticorps ont été efficacement modifiés par les entités bioorthogonales de type azoture, complémentaires des ADIBO selon l’approche SPAAC. Après quantification et validation de leur réactivité par étude MALDI-TOF et fluorescence, le meilleur conjugué monoclonal a été sélectionné pour mener des études in vitro par microscopie confocale. Malgré les différentes études effectuées au cours de ce projet, il n’a pas encore été possible de démontrer la faisabilité du concept de préciblage par chimie bioorthogonale de ces NP multimodales. Toutefois, l’obtention de NP comportant à la fois des entités bioorthogonales et du gadolinium laisse entrevoir des perspectives intéressantes pour une application en tant qu’agents théranostiques.

Skeletal Chondrosarcomas (S-CHS) and Extraskeletal Myxoid Chondrosarcomas (ESM-CHS) are two tumoral pathologies which differs by their etiologies and their anatomical locations. However, they have a similar microenvironment, with Proteoglycans (PG) and hypoxia. At the present time, there is no specific diagnostic tool for these pathologies, which are both described to be chemo- and radioresistant, making surgery the only effective treatment. Based on these observations, the UMR 1240 IMoST INSERM / UCA develops strategies for addressing diagnostic or therapeutic molecules to the negative charges of PG, thanks to a positively charged quaternary ammonium vector. This strategy has also been combined to the concept of hypoxia-activated prodrug to allow selective activation of the therapeutic agent, within hypoxic tumor areas. The hit prodrug, called ICF05016, has already demonstrated its anti-tumor efficacy on murine model of ESM-CHS developed from the H-EMC-SS human cell line inoculated Subcutaneously (SC). The first objective of this PhD work was to characterize the PG content and the hypoxic status of two models of S-CHS (SWARM, JJ012) as well as the ESM-CHS model inoculated in paratibial location. For this purpose, functional imaging techniques ([99mTc] NTP 15-5, [18F] -FMISO, CEST MRI) were used to quantify PG and hypoxia in three models. The next objective was to determine the anti-tumor efficacy of the ICF05016 prodrug on these CHS models. A tumor growth inhibition was observed only for the H-EMC-SS model. Transcriptomic and cell cycle studies had suggested a more in-depth characterization of the comparative physiopathology of S-CHS and ESM-CHS, to be able to develop more specific theranostic strategies. The last objective was to determine the potential of the combination between the ICF05016 prodrug with external beam radiotherapy respectively to radiotherapy alone, on the ESM-CHS model, developed in SC. After determining the radiosensitivity of the H-EMC-SS human cell line, the combination study of the ICF05016 prodrug with external beam radiotherapy (6 Gy) led to an increase in the median survival time of 44 % compared to radiotherapy alone, suggesting the promising future of this prodrug in the medical care of the ESM-CHS.; Les Chondrosarcomes Squelettiques (CHS-S) et Myxoïdes Extrasquelettiques (-MES) sont deux pathologies tumorales distinctes de par leurs étiologies et leurs localisations anatomiques. Cependant, elles possèdent un microenvironnement similaire, plus ou moins riche en Protéoglycanes (PG) et hypoxique. À l’heure actuelle, il n’existe pas d’outil de diagnostic spécifique de ces pathologies qui sont de surcroit toutes deux décrites comme étant à la fois chimio- et radio-résistantes, faisant de la chirurgie le seul traitement efficace. Fort de ce constat, l’UMR 1240 IMoST INSERM/UCA développe depuis plusieurs années des stratégies permettant l’adressage spécifique de molécules diagnostiques ou thérapeutiques vers les charges négatives des PG, grâce à la présence d’un vecteur ammonium quaternaire chargé positivement. Cette stratégie a également été conjuguée au concept de prodrogue activable en hypoxie afin de permettre l’activation sélective de l’agent thérapeutique au sein des zones tumorales hypoxiques. La prodrogue hit, dénommée ICF05016, a préalablement démontré son efficacité anti-tumorale in vivo sur un modèle murin de CHS-MES développés à partir de la lignée cellulaire H-EMC-SS humaine inoculée en Sous Cutané (SC). Le premier objectif de ce travail de thèse fut de caractériser la teneur en PG et le statut hypoxique de deux modèles de CHS-S (SWARM, JJ012) ainsi que du modèle de CHS-MES inoculé en paratibial. Pour cela des techniques d’imagerie fonctionnelle ([99mTc]NTP 15-5, [18F]-FMISO, IRM CEST) ont été utilisées et ont permis de quantifier l’expression des PG et de l’hypoxie pour ces trois modèles de CHS. Le second objectif fut de déterminer l’efficacité anti-tumorale de la prodrogue ICF05016 sur ces modèles de CHS. Un ralentissement de la croissance tumorale a été observé uniquement pour le modèle H-EMC-SS. Des études préliminaires de transcriptomiques et de cycle cellulaire ont suggéré de caractériser de manière plus approfondie la physiopathologie comparative de ces deux pathologies, afin de pouvoir développer des stratégies théranostiques plus spécifiques de chacune d’entre elles. Le dernier objectif fut de déterminer le potentiel de la combinaison associant la prodrogue ICF05016 à la radiothérapie externe et de la comparer à la radiothérapie seule, sur le modèle de CHS-MES développé en SC. Après avoir déterminer la radiosensibilité de la lignée cellulaire humaine H-EMC-SS, la combinaison associant la prodrogue ICF05016 à la radiothérapie (6 Gy) a conduit à une augmentation de la médiane de survie de 44 %, comparativement à la radiothérapie seule, laissant suggérer l’avenir prometteur de cette prodrogue dans le cadre de cette pathologie cancéreuse.

Microtubule targeting agents are effective anti-cancer drugs. Their use as part of a combined treatment modality with ionising radiation is also a promising strategy. However, the emergence of resistance to chemical and radiation requires searching for alternative treatments. Our laboratories have recently described two drugs that directly or indirectly target the microtubules. Firstly, an analogue of 2-methoxyestradiol, a spindle poison binding to microtubules and causing the formation of abnormal mitotic spindles. This is 2-ethyl-3-O-sulphamoyl-estra-1,3,5 (10) 16-tetraene (ESE-16). Secondly, 9-benzoyloxy-5,11-dimethyl-2H, 6H-pyrido [4,3-b] carbazol-1-one (LimPyr1), a novel inhibitor of LIM kinases indirectly inducing microtubule stabilization. It has been recently shown that LimPyr1 is active on taxol-resistant breast cancer models. As microtubule-targeting drugs, both agents, ESE-16 and LimPyr1, induce mitotic defects. We thus hypothesize that they could sensitize cells to radiation. The aim of this PhD project was to test that hypothesis and, more specifically, to investigate whether low-dose ESE-16 and LimPyr1 could increase apoptosis and delay nuclear repair induced by radiation in breast cancer cells in vitro.Various cancer cell lines, MCF-7-, MDA-MB-231- and BT-20 cells, were exposed to ESE-16 and LimPyr1 for 24-hours prior to 8 Gy radiation. The effects of these combination therapies were compared to those obtained from cells exposed to the compounds alone or only to radiation. The activation of the survival and intrinsic apoptotic pathways were investigated. Results revealed an increase in survival and -death signaling in cells exposed to the individual treatments. The combination treatments decreased the cell survival while apoptotic signaling was increased, resulting in increased apoptosis. Furthermore, the combination treatments significantly increased the presence of micronuclei in BT-20 cells, indicating an increase in DNA damage. MCF-7- and MDA-MB-231 cells displayed similar micronuclei formation when exposed to the combination treatments or radiation only. Phosphorylation of H2AX (γH2AX) (normally increased upon DNA damage) and Ku70 expression (required for DNA repair) were decreased in pretreated breast cancer cells 2 hours after irradiation compared to cells exposed to irradiation only. The expression of H2AX and Ku70, however, is significantly increased 24 hours after irradiation of the pretreated cells relative to the cells exposed to the individual treatmentsExperiments investigating the adaptive response revealed that LimPyr1 decreased radiation resistance development by increasing the permeability of the mitochondrial transmembrane (flow cytometry measuring Mitocapture™) and the generation of ROS (flow cytometry employing hydroethidine), a mechanism not observed in ESE-16 pre-treated cells. We also observed an intercellular communication between cells exposed to radiation and non-exposed cells via the radiation induced bystander effect.In conclusion, the anti-mitotic effect of ESE-16 and LimPyr1 renders the chromosomes more exposed to radiation damage, as assessed by the increased occurrence of micronuclei. Moreover, both compounds decrease the signaling and trafficking of DNA damage and repair proteins. Additionally, LimPyr1 prevented the development of radiation resistance in cells exposed to radiation.; Les agents ciblant les microtubules sont des médicaments anticancéreux efficaces. Leur utilisation dans le cadre d’un traitement combiné avec des rayonnements ionisants est également une stratégie prometteuse. Cependant, l’apparition de résistances aux produits chimiques et aux radiations nécessite de rechercher d'autres types de traitements. Nos laboratoires ont récemment décrit deux médicaments qui ciblent directement ou indirectement les microtubules. Premièrement, un analogue du 2-méthoxyestradiol, un poison de fuseau se liant à des microtubules et provoquant la formation de fuseaux mitotiques anormaux. Il s'agit du 2-éthyl-3-O-sulphamoyle-estra-1,3,5 (10) 16-tétraène (ESE-16). Deuxièmement, le 9-benzoyloxy-5,11-diméthyl-2H, 6H-pyrido [4,3-b] carbazol-1-one (LimPyr1), un nouvel inhibiteur des LIM kinases induisant indirectement la stabilisation des microtubules. Il a été démontré récemment que LimPyr1 est actif sur les modèles de cancer du sein résistants au taxol. En tant que médicaments ciblant les microtubules, les deux agents, ESE-16 et LimPyr1, induisent des défauts mitotiques. Nous émettons donc l’hypothèse qu’ils pourraient sensibiliser les cellules aux radiations. Le but de ce projet de thèse était de vérifier cette hypothèse et, plus précisément, de déterminer si de faibles doses de ESE-16 et de LimPyr1 pourraient augmenter l'apoptose et retarder la réparation nucléaire induite par le rayonnement dans les cellules du cancer du sein in vitro.Différentes lignées cellulaires cancéreuses, les cellules MCF-7, MDA-MB-231 et BT-20, ont été exposées à ESE-16 et à LimPyr1 pendant 24 heures avant un rayonnement de 8 Gy. Les effets de ces combinaisons thérapeutiques ont été comparés à ceux obtenus à partir de cellules exposées aux composés seuls ou aux seules radiations. L'activation des voies de survie et des voies apoptotiques intrinsèques a été étudiée. Les résultats ont révélé une augmentation de la signalisation de la survie et de la mort dans les cellules exposées aux traitements individuels. Les traitements combinés ont diminué la survie des cellules alors que la signalisation apoptotique augmentait, entraînant une augmentation de l'apoptose. En outre, les traitements combinés ont augmenté de manière significative la présence de micronoyaux dans les cellules BT-20, indiquant une augmentation des dommages à l'ADN. Les cellules MCF-7 et MDA-MB-231 présentent une formation de micronoyaux similaire lorsqu'elles sont exposées à la combinaison de traitements ou au rayonnement uniquement. La phosphorylation de H2AX (γH2AX) (normalement augmentée lors de dommages à l'ADN) et l'expression de Ku70 (nécessaire pour la réparation de l'ADN) étaient diminuées dans les cellules de cancer du sein prétraitées 2 heures après l'irradiation par rapport aux cellules exposées à l'irradiation uniquement. L'expression de H2AX et Ku70 est cependant significativement accrue 24 heures après irradiation des cellules prétraitées par rapport aux cellules exposées aux traitements individuels. Des expériences portant sur la réponse adaptative ont révélé que LimPyr1 diminuait le développement de la résistance aux radiations en augmentant la perméabilité transmembranaire mitochondriale et en générant des ROS, un mécanisme qui n'est pas observé dans cellules traitées par ESE-16. Nous avons également observé une communication intercellulaire entre les cellules exposées au rayonnement et les cellules non exposées via l'effet induit par le rayonnement.En conclusion, le blocage mitotique partiel induit par ESE-16 et LimPyr1 rend les chromosomes plus exposés aux dommages dus aux radiations, comme l'indique l'augmentation de la présence de micronoyaux. De plus, les deux composés diminuent la signalisation et le trafic des protéines de protection et de dommages à l'ADN. En outre, LimPyr1 empêche le développement de résistances aux radiations dans les cellules exposées aux radiations.

Metallic bismuth nanoparticles are poorly described in the literature and yet they have a high medical potential. Their utility is particularly described in therapeutic and/or diagnostic applications. In addition, bismuth is an abundant, inexpensive and biocompatible element. In this project, a robust and reproducible synthesis of metallic bismuth nanoparticles in water in a non-continuous process was developed by applying the principles of green nanochemistry. This synthesis was then transferred to a continuous process to increase the productivity of obtaining nanoparticles. The characterization of their surface, chemical and colloidal stability as well as their cytotoxicity were studied in order to consider their use in biological environments. Three types of hydrophilic, hydrophobic and fluorophilic nanoparticles have been obtained. Hydrophilic nanoparticles with polyethylene glycol on their surface are stable for 24 hours in saline solution. Hydrophobic nanoparticles have been incorporated into oil-in-water emulsions. On the other hand, polyfluorinated nanoparticles containing insufficient fluorine on the coating agent could not be incorporated into a fluorinated oil. Finally, a preliminary study did not show a radiosensitization effect of bismuth nanoparticles. In vitro and in vivo studies of these nanoparticles are planned to definitively conclude on their radiosensitizing effect., Les nanoparticules de bismuth métallique sont peu décrites dans la littérature et pourtant elles ont un fort potentiel médical. Leur utilité est notamment décrite dans des applications thérapeutiques et/ou diagnostiques De plus, le bismuth est un élément abondant, peu cher et biocompatible. Dans ce projet, une synthèse robuste et reproductible de nanoparticules de bismuth métallique dans l’eau en procédé non continu a été développée en appliquant les principes de la nanochimie verte. Cette synthèse a ensuite été transférée en procédé continu pour augmenter la productivité d’obtention des nanoparticules. La caractérisation de leur surface, leur stabilité chimique et colloïdale ainsi que leur cytotoxicité ont été étudiées afin d’envisager leur utilisation en milieu biologique. Trois types de nanoparticules hydrophiles, hydrophobes et fluorophiles ont été obtenues après l’échange de ligand. Les nanoparticules hydrophiles ayant à leur surface du polyéthylène glycol sont stables pendant 24 heures dans le sérum physiologique. Les nanoparticules hydrophobes ont été incorporées dans des émulsions huile dans eau. En revanche, les nanoparticules polyfluorées ne contenant pas assez de fluor sur l’agent de revêtement n’ont pas pu être incorporées dans une huile fluorée. Enfin, une étude préliminaire n’a pas permis de montrer un effet de radiosensibilisation des nanoparticules de bismuth. Des études approfondies in vitro et in vivo de ces nanoparticules sont envisagées pour conclure définitivement sur leur effet radiosensibilisant.

The occurrence of multiple brain metastases is a critical evolution of many cancers with a major impact on overall survival. A new gadolinium-based nanoparticle, AGuIX®, has recently demonstrated its efficacy as a radiosensitizer and MRI contrast agent in several preclinical studies. The objective of this thesis is to establish a proof of concept on an animal model and then to perform the first administration of this new drug in humans in a phase 1 trial. The first part of this work consisted of a 6 MeV irradiation after AGuIX® injection of a Fisher rat model carrying 9L cerebral gliomas assessed by MRI. A favorable distribution of nanoparticles was observed by EPR effect (Enhanced Permeability and Retention) with a concentration of gadolinium into the tumor 20 times higher than in healthy brain. The radiosensitizing effect was demonstrated with a significant decrease in tumor size (p=0.02) for the irradiated group with AGuIX® injection. These results, combined with the favorable safety profile in animal models, motivated the transfer of this new drug to humans in a Phase 1 study named NANO-RAD (EudraCT2015-004259-30; NCT02820454). This is a monocentric, open-label study evaluating the feasibility and safety of AGuIX® combined with whole brain radiation therapy (30 Gy, 10 Fr of 3 Gy) for patients with multiple brain metastases. The main objective is to determine the maximum tolerated dose of nanoparticles with a dose escalation scheme by steps of 3 patients at 15, 30, 50, 75 and 100 mg/kg. Secondary objectives are the pharmacokinetics, distribution of AGuIX® by MRI, intracranial progression-free survival and overall survival. The first human administration was performed at Grenoble University Hospital on 18 July 2016 and the last patient (n=15) was included on 06 February 2018. All metastases, whatever the histological type (lung, melanoma, breast) had a uptake of AGuIX® whose concentration in the tumor was proportional to the injected dose. The average blood half-life is 1h09 (± 26 min). Tolerance to the treatment was good with a dose escalation up to 100 mg/kg, which became the dose selected for further clinical trials. Of the 14 evaluable patients, 12 had a clinical benefit of treatment with a decrease in tumor volume. These preliminary results are promising in terms of safety, distribution and efficacy and should be confirmed by the randomized multicenter Phase 2 study planned for the end of 2018.; L'apparition de métastases cérébrales multiples est une évolution critique de nombreux cancers avec un impact majeur sur la survie globale. Une nouvelle nanoparticule à base de gadolinium, l’AGuIX®, a récemment démontré son efficacité en tant que radiosensibilisant et agent de contraste IRM dans plusieurs études précliniques. L’objectif de cette thèse est d’établir une preuve de concept sur un modèle animal puis de réaliser la première administration chez l’homme de ce nouveau médicament dans le cadre d’un essai de phase 1.La première partie de ce travail a consisté à l’irradiation en 6 MeV après injection d’AGuIX® d’un modèle de rat Fisher porteur du gliome cérébral 9L suivi par IRM. Nous avons mis en évidence une distribution favorable des nanoparticules dans la tumeur par effet EPR (Enhanced Permeability and Retention) avec une concentration de gadolinium dans la tumeur 20 fois plus importante que dans le cerveau sain. L’effet radiosensibilisant a été démontré avec une diminution significative (p=0.02) de la taille des tumeurs dans le groupe irradié après injection d’AGuIX®. Ces résultats, associés au profil de tolérance favorable sur les modèles animaux ont motivés le transfert chez l’homme de ce nouveau médicament dans une étude de phase 1 nommée NANO-RAD (EudraCT 2015-004259-30 ; NCT02820454). Il s’agit d’une étude monocentrique, ouverte, évaluant la faisabilité et la tolérance d'AGuIX® associé à une irradiation panencéphalique (30 Gy, 10 Fr de 3 Gy) pour des patients atteints de métastases cérébrales multiples. L'objectif principal est de déterminer la dose maximale tolérée des nanoparticules avec un schéma d’escalade de dose par palier de 3 patients à 15, 30, 50, 75 et 100 mg/kg. Les objectifs secondaires sont l’étude pharmacocinétique de la distribution d'AGuIX® par IRM, de la survie sans progression intracrânienne et de la survie globale. La première administration chez l’homme a été réalisée au CHU de Grenoble le 18 juillet 2016 et le dernier patient (n=15) a été inclus le 06 février 2018. L’ensemble des lésions, quelques soit l’origine histologique (poumon, mélanome, sein) ont eu une prise de contraste d’AGuIX® dont la concentration retrouvée dans la tumeur était proportionnelle à la dose injectée. La demi-vie sanguine moyenne est de 1h09 (± 26min). La tolérance au traitement a été bonne avec une escalade de dose jusqu’à 100 mg/kg qui devient ainsi la dose retenue pour la suite des essais cliniques. Sur les 14 patients évaluables, 12 ont eu un bénéfice clinique du traitement avec une diminution du volume tumoral. Les résultats préliminaires sont prometteurs en termes de tolérance, de distribution et d’efficacité et devront être confirmés par l’étude de phase 2 multicentrique randomisée prévue pour la fin de l’année 2018.

Context: Vestibular schwannomas (VS) are benign neoplasm arising from the Schwann cells of the vestibular nerve. Most of sporadic VS carry a bi-allelic inactivation of the tumor suppressor gene NF2. Congenital inactivation of the NF2 gene is linked to the onset of Neurofibromatosis type 2 (NF2), a genetic condition predisposing to the development of multiple benign tumor of the central nervous system with bilateral VS as a hallmark. Treatment of VS is either surgical or by use of radiation therapy delivered in stereotactic condition. A significant dose reduction has led to improving the hearing outcomes while maintaining good tumor control. Meanwhile a significant number of treated patients will develop a progressive sensorineural hearing loss (SNHL). Laboratory models that faithfully recapitulate NF2 gene inactivation and SNHL are needed to pursue the reduction of the dose delivered.Aim: We aimed at developing new models in-vitro and in-vivo for the study of vestibular schwannoma radio sensitivity in combination with selected compounds that selectively target the pathways activated secondary to NF2 loss of function.Methodes: Human vestibular schwannoma cell lines (HEI_193, HEI_182) and control human Schwann cell line (HEI_286) were used in clonogenic assay to determine the number of colony forming unit (CFU) spontaneously and at increasing dosing of mTOR inhibitor (Rapamycin), PI3 kinase inhibitor (GDC_0941), PI3K-mTOR dual inhibitor (BEZ_235) to determine the 50% growth inhibitory threshold (GI50%) then in combination with increasing radiation regimen of gamma radiation emitted by a source of Co60. The mouse cell line inactivated for nf2 (SC4#9) was used to generate orthotropic syngrafts. The growth of the tumor was monitored using MRI and bioluminescence imaging and hearing was tested by recording auditory brainstem responses. Pathology of the cochlea were obtained from paraffin embedded sections and then using fluorescence confocal microscopy of whole mounted transparent cochleae.Results: Soft agar clonogenic assays were used and identified a resistance to radiation therapy in human cell lines of VS inactivated for NF2 when compared to the non-mutated control. This radiation resistance could be overcome by pre-exposure to the mTOR inhibitor Rapamycin allowing a return to the radiosensibility of non-mutated control. There was a tendency toward a beneficial effect when using a dual inhibition of the mTOR and PI3 kinase at a maximum dose of exposure to radiation. A mouse model of VS has been developed by stereotactic seeding of nf2 deficient cell line SC4#9 targeting the cochleo-vestibular nerve complex. It recapitulates the growth in the suitable micro-environment and secondary SNHL. The growth has been characterized using MRI and in-vivo bioluminescence imaging. Hearing loss was confirmed using sequential ABR. Last a protocol for the clarification of whole mounted cochleae has been adapted to species of rodents suitable for the pathological study of ototoxic change secondary to VS and/or its treatment.Conclusion: The models presented in this thesis may be used for the preclinical evaluation of combined therapeutic approaches with single dose gamma radiation. A better understanding of the mechanisms involved in ototoxicity secondary to VS and of its treatment would improve the molecular targeting in order to warrant better auditory outcomes., Contexte : Le schwannome vestibulaire (SV) est une tumeur bénigne de la gaine du nerf vestibulaire. La plupart des SV présentent une inactivation somatique bi-allèlique du gène suppresseur de tumeur NF2. L’inactivation congénitale du gène NF2 est impliquée dans le développement de la Neurofibromatose de type 2, une maladie génétique autosomique dominante prédisposant au développement de tumeurs multiples du système nerveux central et en particulier de schwannomes vestibulaires bilatéraux. Le traitement des schwannomes vestibulaires repose sur la chirurgie ou la radiothérapie délivrée en conditions stéréotaxiques. La réduction de la dose d’irradiation des schwannomes vestibulaires a permis d’améliorer le pronostic fonctionnel auditif tout en garantissant un taux de réponse satisfaisant. Pourtant de nombreux patients présenteront une surdité neurosensorielle progressive. Afin de poursuivre cette réduction de dose d’irradiation, des modèles biologiques fidèles récapitulant le statut d’inactivation du gène NF2 et la surdité neurosensorielle sont nécessaires à l’élaboration d’une approche préclinique.Problématique : Nous avons proposé de développer des systèmes modèles in-vitro et in-vivo compatibles avec l’étude de la radiosensibilité des schwannomes vestibulaires en combinaison avec des thérapies ciblant les voies de signalisation spécifiquement activées par la perte de fonction NF2.Méthodes : Les lignées cellulaires humaines de schwannomes vestibulaires NF2 (HEI_193, HEI_182), et de cellules de Schwann vestibulaire contrôle (HEI_286) ont été cultivées en essai clonogénique afin de déterminer le nombre d’unité formatrices de colonies à doses croissantes d’inhibiteur mTOR (Rapamycine), PI3K (GDC_0941), mTOR et PI3K (BEZ_235) pour déterminer le 50% d’inhibition de croissance (GI50%) puis en combinaison à doses croissantes de radiation gamma (Co60). La lignée cellulaire murine inactivée pour nf2 (SC4#9) a été utilisée pour réaliser des greffes syngéniques orthotopiques. La croissance des tumeurs a été suivie par IRM et bioluminescence et l’audition déterminée par potentiels évoqués auditifs. L’analyse histologique des cochlées a été réalisée par coloration en hématoxyline et éosine puis par fluorescence après clarification cochléaire. Des volumes complets ont été obtenus par microscopie confocale à balayage laser.Résultats : Les essais clonogéniques réalisés en Agarose ont identifié une radiorésistance relative des lignées humaines de schwannomes mutées pour NF2 par comparaison au contrôle humain non muté. Cette résistance identifiée en réponse à l’exposition à une dose unique d’irradiation gamma peut être contournée par l’inhibition de la voie mTOR au moment de l’irradiation restituant une sensibilité comparable au contrôle humain non muté. Une tendance à un bénéfice de l’association d’une inhibition mTOR à un inhibiteur PI3 kinase a été retrouvée à une dose maximum d’irradiation. Un modèle murin de schwannome vestibulaire qui récapitule la croissance dans l’angle ponto-cérébelleux et la perte d’audition a été développé par injection stéréotaxique dans le paquet acoustico faciale. Le suivi de croissance de ce schwannome a été caractérisé par IRM et bio-luminescence in-vivo. Enfin un protocole de clarification cochléaire a été adapté aux mammifères murins pour permettre l’étude histologique de cochlées intactes compatible avec l’étude de l’otoxicité des schwannomes et/ou de leur traitement .Conclusion : Les modèles décrits dans cette thèse permettent l’évaluation pré-clinique de stratégies thérapeutiques combinant thérapie ciblée et irradiation gamma en dose unique. L’amélioration des connaissances des mécanismes participant à l’ototoxicité des schwannomes et de leur traitement permettra d’améliorer le ciblage moléculaire afin de réduire les effets auditifs secondaires de la radiochirurgie.

Among all nanocarbons, detonation nanodiamonds (NDs) possess outstanding chemical and physical properties suitable for bio-applications. Well-controlled mass production provides NDs with a primary size of 5 nm made of a diamond-core and a shell-coating containing various surface terminations. Surface chemistry of NDs can be tuned via thermal or plasma treatments providing either positively or negatively charged NDs in water suspension. Our group recently showed that plasma hydrogenated NDs (H-NDs) behave a radiosensitizing effect on radioresistant cancer cell lines providing potential therapeutic abilities as radiosensitizing agents. Nevertheless, the mechanisms involved behind this effect are not currently well understood. The main goal of this PhD is to study the behaviour of NDs suspended in water under ionizing radiations (X-ray and Gamma) and to investigate the production of reactive oxygen species (ROS), in particular hydroxyl radicals (HO). Additional experiments allow to detect also produced solvated electrons (eaq). The detection of HO radicals and solvated electrons was realized in the presence of a fluorescence probe, the 7 OH-coumarin, under various atmospheres (air and N2O/O2). Starting from the same source of NDs, different surface chemistries were compared (oxidized, hydrogenated and surface graphitized). In parallel, colloidal properties and stability of these modified NDs in water with respect to their surface chemistry were investigated at short and long term. An overproduction of HO was observed for H-NDs for both hydrogenation methods and vacuum annealed NDs at 750°C. In addition, the production of solvated electrons was confirmed for H-NDs. These results were discussed taking into account the surface chemistry, the colloidal stability and specific interactions of water molecules with NDs., Parmi tous les nanomatériaux carbonés, les nanodiamants de détonation (NDs) possèdent des propriétés physico-chimiques exceptionnelles faisant d’eux un matériau idéal pour les applications en biologie. Aujourd’hui, la production industrielle permet de synthétiser des NDs ayant une taille de 5 nm comportant un cœur diamant et une enveloppe de surface possédant différentes terminaisons. La chimie de surface des NDs peut être modifiée par recuit ou par plasma donnant des NDs négativement ou positivement chargés en suspension dans l’eau. Notre équipe a récemment démontré des propriétés radiosensibilisantes des NDs hydrogénés par plasma (H-NDs) sur des lignées cellulaires cancéreuses radiorésistantes. Ces résultats prouvent leur aptitude thérapeutique comme agents radiosensibilisants. Cependant, les mécanismes impliqués dans cet effet ne sont pas bien compris. L’objectif principal de ce travail de thèse est d’étudier le comportement des NDs en suspension dans l’eau sous irradiation (rayons X et gamma) et de mesurer la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) en particulier les radicaux hydroxyles HO. Des expériences complémentaires ont permis de détecter la production d’électrons solvatés (eaq). La détection des radicaux HO et des électrons solvatés (eaq) a été réalisée en utilisant une sonde fluorescence, la 7 OH-coumarine, dans des atmosphères différentes (air and N2O/O2). Différentes chimies de surface ont été comparées (oxydée, hydrogénée, graphitisée en surface) préparées à partir de la même source de NDs. En parallèle, les propriétés colloïdales et la stabilité de ces NDs dans l’eau ont été étudiées à court et à long terme en fonction de leur chimie de surface. Une surproduction de radicaux HO a été mesurée pour les H-NDs hydrogénés par les deux méthodes et pour les NDs recuites sous vide à 750°C. De plus, une surproduction d’électrons solvatés a été mise en évidence pour les H-NDs. Ces résultats sont discutés en fonction de la chimie de surface, la stabilité colloïdale et les interactions spécifiques des molécules d’eau avec les NDs.

National audience; L’enjeu majeur de la radiothérapie est de concentrer la dose d’irradiation dans les cellules cancéreuses tout en épargnant au mieux les cellules saines. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de radiosensibilisants vise à amplifier les effets destructeurs de dose dans la tumeur. Les nanoparticules de métaux lourds tels que l’or, le gadolinium, sont des radiosensibilisants particulièrement prometteurs. Si leur effets radiosensibilisants sont étudiés depuis quelques dizaines d'années, l’origine de ce phénomène est encore mal connue et peu quantifiée.La littérature suggère que les radiations généreraient un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet aurait pour conséquence de déposer davantage de dose, amplifiant les dommages cellulaires critiques par cassure directe de molécules sensibles (ADN) ou par boost de radicaux libres. Ces effets sont produits à des échelles nanométriques et dans des temps extrêmement courts (10-15 à 10-12 seconde) mais ont des conséquences à échelle du patient.Parce que ces processus physico-chimiques ne sont pas observables, l’outil de simulation est indispensable pour mieux comprendre les processus initiaux. Notre objectif est dans un premier temps de développer une simulation permettant de calculer les distributions spatiales de dose et de radicaux libres autour des nanoparticules et de quantifier le boost induit. Dans un second temps, nous injecterons ces résultats dans le modèle Nanox, développé dans le cadre de l’optimisation de soin par hadronthérapie, pour traduire ces effets en termes d’augmentation de dose biologique et de mort cellulaire.Ces deux étapes feront l’objet d’une confrontation avec des données expérimentales pour évaluer la qualité des modèles et de la pertinence des scénarios proposés dans la littérature. L’objectif final serait de guider le développement des nanoparticules et si possible d’aider à la planification clinique de traitements radiothérapeutiques basés sur les nanoparticules.

National audience; L’enjeu majeur de la radiothérapie est de concentrer la dose d’irradiation dans les cellules cancéreuses tout en épargnant au mieux les cellules saines. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de radiosensibilisants vise à amplifier les effets destructeurs de dose dans la tumeur. Les nanoparticules de métaux lourds tels que l’or, le gadolinium, sont des radiosensibilisants particulièrement prometteurs. Si leur effets radiosensibilisants sont étudiés depuis quelques dizaines d'années, l’origine de ce phénomène est encore mal connue et peu quantifiée.La littérature suggère que les radiations généreraient un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet aurait pour conséquence de déposer davantage de dose, amplifiant les dommages cellulaires critiques par cassure directe de molécules sensibles (ADN) ou par boost de radicaux libres. Ces effets sont produits à des échelles nanométriques et dans des temps extrêmement courts (10-15 à 10-12 seconde) mais ont des conséquences à échelle du patient.Parce que ces processus physico-chimiques ne sont pas observables, l’outil de simulation est indispensable pour mieux comprendre les processus initiaux. Notre objectif est dans un premier temps de développer une simulation permettant de calculer les distributions spatiales de dose et de radicaux libres autour des nanoparticules et de quantifier le boost induit. Dans un second temps, nous injecterons ces résultats dans le modèle Nanox, développé dans le cadre de l’optimisation de soin par hadronthérapie, pour traduire ces effets en termes d’augmentation de dose biologique et de mort cellulaire.Ces deux étapes feront l’objet d’une confrontation avec des données expérimentales pour évaluer la qualité des modèles et de la pertinence des scénarios proposés dans la littérature. L’objectif final serait de guider le développement des nanoparticules et si possible d’aider à la planification clinique de traitements radiothérapeutiques basés sur les nanoparticules.

To improve radiotherapy efficiency, radiosensitizers such as gold nanoparticles (GNP) are developed. But to translate them to clinics, a good knowledge of the processes at stage is needed. GNP radiosensitizing effect was well-confirmed on biological targets (DNA, cells and in vivo) and hydroxyl radicals are often proposed to be key intermediates, but no clear evidence has been given yet. In this work, we first developed a ‘reference’ protocol to quantify hydroxyl radicals and electrons produced by GNP in their interaction with ionizing radiation. These investigations reveal a massive production of both species for non-functionalized GNP. Moreover the study of various parameters such as the concentration of dissolved dioxygen or the energy of the incident radiation leads us to propose a new mechanism on the origin of the radiosensitizing effect. Nevertheless, biological applications of GNP can only be considered if the nano-objects are functionalized to make them furtive, address them or deliver medicines to the tumor. After synthesis and characterization of different functionalized GNP, we compared hydroxyl radicals production with the damages induced on DNA and highlighted a significant impact of functionalization on the radiosensitizing effect. Finally, this work gives valuable information for the design of the most efficient GNP for radiotherapy which is a first step towards their medical application.; Afin d’améliorer les traitements par radiothérapie, des radiosensibilisateurs tels que les nanoparticules d’or (NPo) sont étudiés. Mais leur translation en clinique nécessite une bonne compréhension des phénomènes en jeu. Si l’effet radiosensibilisateur a bien été confirmé sur des cibles biologiques (ADN, cellules et in vivo) et si les radicaux hydroxyle ont souvent été proposés comme intermédiaires, aucune preuve claire n’a encore été apportée. Ce travail avait pour premier objectif d’élaborer un protocole de « référence » afin de quantifier les radicaux hydroxyle et les électrons produits par les NPo en interaction avec un rayonnement ionisant. Cette étude a mis en évidence des productions massives de ces deux espèces pour des NPo non-fonctionnalisées. De plus, l'étude de différents paramètres, tels que la quantité de dioxygène en solution ou le rayonnement incident, nous a conduits à proposer un nouveau mécanisme permettant de rendre compte de nos résultats. Néanmoins, l'application biologique des NPo ne peut être envisagée que si ces nano-objets sont fonctionnalisés afin de les rendre furtifs et de les adresser spécifiquement à la tumeur. Après synthèse et caractérisation poussée de différents types de NPo fonctionnalisées, nous avons comparé la production de radicaux hydroxyle avec la dégradation d’une cible biologique, l'ADN, et mis en évidence l'impact significatif de la fonctionnalisation sur l'effet radiosensibilisateur. Ainsi, cette étude apporte des informations essentielles en vue de l’optimisation de la conception des NPo les plus efficaces pour la radiosensibilisation, une première étape vers leur application radiothérapeutique.

To improve radiotherapy efficiency, radiosensitizers such as gold nanoparticles (GNP) are developed. But to translate them to clinics, a good knowledge of the processes at stage is needed. GNP radiosensitizing effect was well-confirmed on biological targets (DNA, cells and in vivo) and hydroxyl radicals are often proposed to be key intermediates, but no clear evidence has been given yet. In this work, we first developed a ‘reference’ protocol to quantify hydroxyl radicals and electrons produced by GNP in their interaction with ionizing radiation. These investigations reveal a massive production of both species for non-functionalized GNP. Moreover the study of various parameters such as the concentration of dissolved dioxygen or the energy of the incident radiation leads us to propose a new mechanism on the origin of the radiosensitizing effect. Nevertheless, biological applications of GNP can only be considered if the nano-objects are functionalized to make them furtive, address them or deliver medicines to the tumor. After synthesis and characterization of different functionalized GNP, we compared hydroxyl radicals production with the damages induced on DNA and highlighted a significant impact of functionalization on the radiosensitizing effect. Finally, this work gives valuable information for the design of the most efficient GNP for radiotherapy which is a first step towards their medical application.; Afin d’améliorer les traitements par radiothérapie, des radiosensibilisateurs tels que les nanoparticules d’or (NPo) sont étudiés. Mais leur translation en clinique nécessite une bonne compréhension des phénomènes en jeu. Si l’effet radiosensibilisateur a bien été confirmé sur des cibles biologiques (ADN, cellules et in vivo) et si les radicaux hydroxyle ont souvent été proposés comme intermédiaires, aucune preuve claire n’a encore été apportée. Ce travail avait pour premier objectif d’élaborer un protocole de « référence » afin de quantifier les radicaux hydroxyle et les électrons produits par les NPo en interaction avec un rayonnement ionisant. Cette étude a mis en évidence des productions massives de ces deux espèces pour des NPo non-fonctionnalisées. De plus, l'étude de différents paramètres, tels que la quantité de dioxygène en solution ou le rayonnement incident, nous a conduits à proposer un nouveau mécanisme permettant de rendre compte de nos résultats. Néanmoins, l'application biologique des NPo ne peut être envisagée que si ces nano-objets sont fonctionnalisés afin de les rendre furtifs et de les adresser spécifiquement à la tumeur. Après synthèse et caractérisation poussée de différents types de NPo fonctionnalisées, nous avons comparé la production de radicaux hydroxyle avec la dégradation d’une cible biologique, l'ADN, et mis en évidence l'impact significatif de la fonctionnalisation sur l'effet radiosensibilisateur. Ainsi, cette étude apporte des informations essentielles en vue de l’optimisation de la conception des NPo les plus efficaces pour la radiosensibilisation, une première étape vers leur application radiothérapeutique.

Glioblastoma is the most common and deadly primarily brain tumor in adult. Conventional therapy consists on a surgical resection of the tumor followed by radiotherapy and radiotherapy. Despite this treatments, most patients rescue. These recurrences have recently been assign to radio-chemotherapeutic resistant cell contingents called glioblastoma stem-cells (GSCs). The aim of this thesis was to develop nanovector targeting these GSCsCXCR4 positives cells implicated in proliferation, cell migration and apoptose resistance. Then, we have developed lipid nanocapsules(LNC) loaded with rhenium-188 (188Re), a beta-emitter, and functionalized with a blocking antibody (12G5) directed to CXCR4. Nanovector efficiency was evaluated in an orthotopic human glioblastoma mice model and we showed that 12G5-LNC188Re treated mice had the best median survival. Concurrently of this study, we have developed another nanovector loaded with rapamycin, an inhibitor of PI3K/Akt/mTOR signaling pathway implicated in radioresistance and only soluble in organics solvants. Efficiency of this new nanovector to improve rapamycine bioavaibility and to block mTOR phosphorylation was assessed in vitro. Its own antitumor activity and its role as radiosensitizer have been evaluated in up-stream of preclinical studies.To conclude, this thesis allowed the development of a new tool forvectorized internal radiotherapy in glioblastoma. We have shown for the first time that LNC-188Re functionalized with a blockin antibody present an interest in glioblastoma therapy., Le glioblastome est la forme la plus commune et la plus mortelle de tumeur cérébrale chez l’adulte. La prise en charge thérapeutique conventionnelle de ce cancer consiste en une exérèse chirurgicale de la tumeur suivie d’une radiothérapie et d’une chimiothérapie par témozolomide (Temodal®). En dépit de ces traitements pourtant agressifs, la plupart des patients rechutent et leur survie n’excède généralement pas 15 mois. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre les mécanismes qui conduisent à une résistance de la tumeur vis-à-vis de ces traitements et récemment, un contingent cellulaire appelé cellule souche de gliome(CSG) a été mis en évidence. L’objectif de cette thèse a été de développer un nanovecteur capable de cibler ces CSGs afin de concentrer l’efficacité de la radiothérapie au niveau des cellules radiorésistantes et notamment des cellules CXCR4-positives impliquées dans la prolifération, la migration cellulaire et la résistance à l’apoptose. Pour cela, nous avons développé des nanocapsules lipidiques (LNC) contenant du rhénium-188 (188Re), un émetteur bêta -, et fonctionnalisées au moyen d’un anticorps bloquant(12G5) dirigé contre le récepteur à chimiokine CXCR4. L’efficacité de cet objet a été testée dans un modèle orthotopique de glioblastome humain chez la souris et nous avons montré que les souris traitées avec cesLNC-188Re couplées au 12G5 présentent les meilleures médianes de survie. En parallèle de ce travail, nous avons conçu un autre nanovecteur contenant de la rapamycine, un inhibiteur de la voie PI3K/Akt/mTOR impliquée dans la radiorésistance et seulement soluble dans des solvants organiques. L’efficacité de ce vecteur à rendre la rapamycine biodisponible au niveau cellulaire et à bloquer la voie mTOR a été validée in vitro. Son activité antitumorale propre et son rôle en tant que radiosensibilisant ont de plus été caractérisés en amont d’investigations précliniques. En conclusion, cette thèse a permis de développer un outil de radiothérapie interne dans le cadre d’une thérapie ciblée dans le glioblastome. Nous avons pour la première fois montré que des LNC188Re couplées à un anticorps présentent un intérêt dans le traitement du glioblastome.

Radiation therapies are used to treat most of the cancer cases. One major limitation is the damage induced in the healthy tissues and tumor targeting is a major challenge. The addition of nanoparticles (NPs) is proposed as a novel strategy to amplify the radiations effects in the tumors (radiosensitization). The high-Z nanoparticles (platinum, gold, gadolinium) are found to be good candidates. To develop new nanoagents and improve treatment planning, a deeper knowledge of the fundamental mechanisms is required. It was found that radiosensitizers enhance the lethal effect of radiations (fast ions and gamma rays). This is attributed to a multiscale cascade of events, which includes the NPs activation and relaxation, the production of water radicals up to the biological impact in mammalian cells. It is not clear yet what from the early stage processes or from the (eukaryotic) cell response is the key stage of the radiosensitization. Hence, the challenge of my thesis was to probe the effects of radiosensitizers (gold, platinum and gadolinium based nanoparticles) on cells other than eukaryotic cells. For the first time, their effect was tested on the most radioresistant bacterium ever reported Deinoccocus radiodurans (D. radiodurans). For comparison, the nanoparticles were tested on the radiosensitive bacterium E.coli. Additional studies at molecular scale were used to understand the elementary mechanisms. In summary, this work demonstrates that the radiosensitizing nanoparticles amplify the effects of -rays in radiosensitive and also radioresistant bacteria. This is attributed to the production of radical clusters and to the inducetion of nano-size biodamages in DNA but also in repair proteins. Finally, this work proves that the radiosensitization is a “universal” phenomenon that can take place in all living organisms. In other words, it tells that elementary mechanisms play a major role compared to the biological response of the cell. A set of standardized methods for evaluating the cellular uptake and the toxicity of the potential nanodrug was established throughout this study.; Les thérapies par irradiation sont utilisées pour traiter la plupart des cas de cancer. Une limitation majeure est l’induction de dommages dans les tissus sains. Par conséquent, l’amélioration du ciblage tumoral est un défi majeur. L'addition de nanoparticules (NPs) est proposée comme une nouvelle stratégie pour amplifier les effets des radiations dans les tumeurs (radiosensibilisation ). Les nanoparticules de Z élevé (platine, or, gadolinium) se révèlent être de bons candidats. Afin de développer de nouveaux nanoagents et d’améliorer les plans de traitement, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux impliqués. Il a été observé que les radiosensibilisateurs augmentent l'effet létal des radiations (ions rapides ou rayons gamma). Ceci est attribué à une cascade d'événements multi-échelle qui comprend l'activation des NPs, leur relaxation, suivi de la production de radicaux responsables de la mort cellulaire (dans les eucaryotes). Il n'est pas encore clair laquelle des étapes, entre l’excitation/relaxation électronique des NPs ou la réponse biologique joue le rôle prédominant. Par conséquent, le défi de ma thèse était de tester les effets de radiosensibilisateurs (NPs d'or, de platine ou à base de gadolinium) sur des cellules autres que des cellules eucaryotes. Pour la première fois, l’effet des NPs a été testé sur la bactérie la plus radiorésistante jamais rapportée, D. radiodurans. Les NPs ont également été testées sur E. coli. Des études à l'échelle moléculaire ont été utilisées pour comprendre les mécanismes élémentaires. En résumé, ce travail montre que les NPs radiosensibilisantes amplifient les effets des rayons γ dans les bactéries radiosensibles et radiorésistantes. Ceci est attribué à la production de grappes de radicaux et à l’induction de dommages nanométriques dans l'ADN mais également dans les protéines de réparation. Finalement la radiosensibilisation est un phénomène «universel» qui peut être induite dans tout organisme vivant. En d'autres termes, les mécanismes élémentaires liés à l’excitation/relaxation de la NP jouent un rôle majeur par rapport à la réponse biologique de la cellule. Enfin, un ensemble de méthodes ont été optimisées pour évaluer la toxicité et observer l’internalisation des NPs dans les bactéries.

Gliomas treatment is still a serious challenge in medicine. Available treatments are mainly palliative and patients' survival is increased by a few months only. An original radiotherapy technique consists in increasing the dose delivered to the tumor by loading it with high Z atoms before an irradiation with low energy X-rays (50-100 keV). Preclinical studies have been conducted using iodine contrast agent (CA) (Z=53) and 50 keV X-rays. The increase of the animals' survival leads today to the beginning of clinical trials (phases I and II) at the medical beamline of the European synchrotron, where the available monochromatic and intense photons beam is well suited for this treatment. The use of intravenously injected CA is however insufficient for curing rat's bearing glioma. Indeed, the contrast agent's accumulation is limited by the presence of the BBB and it remains extracellular. Metallic nanoparticles (NPs) appear interesting for improving the treatment efficacy. During this work, three different types of NPs have been studied: GdNPs (3 nm), AuNPs (13 nm) and PtNPs (6 nm). Their toxicity and internalization have been evaluated in vitro on F98 rodent glioma cells. Cells' survival has also been measured after different irradiation conditions in presence of these NPs and with monochromatic photons beams. Several mechanisms implicated in the treatment have been highlighted by the study of the cells' response dependence to the incident particles energy and to the sub cellular NPs distribution during irradiation. For identical concentrations, NPs were more efficient in cells killing than CA, illustrating their microdosimetric potential. The effect was also preferential for low energy X-rays, indicating that photoactivation of heavy atoms plays a role in the cells' death. GdNPs and PtNPs have also lead to an effect in combination to high energy photons (1.25 MeV), indicating that another mechanism may also increase the cell sensitivity to radiations with such NPs. Preclinical trials, performed on rats bearing F98 glioma, have shown that the complete tumor's overlap with NPs is a key point for the success of this treatment. Dual energy computed tomography (CT) has been developed at the synchrotron medical beamline and evaluated during this PhD thesis. The study has allowed quantitatively and simultaneously imaging the tumor (highlighted by iodinated CA) and the GdNPs distribution injected intracerebrally in rodents bearing glioma. The comparison between the CA distribution and the tumor's volume has also been performed using high spatial resolutions imaging methods (MRI, X-rays phase contrast tomography and histology)., Le traitement des gliomes de haut grade constitue aujourd'hui encore un réel enjeu médical. Les techniques actuellement disponibles sont principalement palliatives et permettent d'augmenter la survie des patients de quelques mois seulement. Une technique innovante de radiothérapie consiste à renforcer la dose déposée dans la tumeur grâce à l'injection d'atomes lourds de manière spécifique dans celle-ci au préalable d'une irradiation de photons de basse énergie (50-100 keV). Cette technique a fait l'objet d'essais précliniques et maintenant d'essais cliniques de phases I et II sur la ligne médicale du synchrotron Européen dont le rayonnement monochromatique et intense est particulièrement adapté pour l'application. L'utilisation d'un agent de contraste (AC) iodé (Z=53) injecté par voie veineuse permet d'améliorer le bénéfice de la radiothérapie mais n'est cependant pas suffisante pour l'élimination complète de la tumeur. En effet, l'accumulation passive d'atomes lourds dans la tumeur n'est pas assez importante et le caractère extracellulaire d'un AC ne maximise pas l'efficacité biologique de l'irradiation. Les nanoparticules (NPs) métalliques apparaissent comme un moyen efficace pour repousser ces limites. Dans le cadre de cette thèse, des études ont été conduites sur la lignée cellulaire de gliome F98 afin de caractériser la toxicité et l'internalisation de trois types de nanoparticules différents : nanoparticules de gadolinium (GdNPs 3 nm), d'or (AuNPs 13 nm) et de platine (PtNPs 6 nm). La survie cellulaire a également été évaluée après différentes conditions d'irradiation de photons monochromatiques en présence de ces nano-objets. La dépendance de la réponse cellulaire à l'énergie du rayonnement incident ainsi qu'à la distribution subcellulaire des NPs a permis de mettre en évidence plusieurs mécanismes mis en jeu dans ce traitement. A concentration identique, les NPs diminuent la survie cellulaire de manière plus importante qu'un AC, validant ainsi l'intérêt microdosimétrique des NPs. L'effet est préférentiel à basse énergie (keV) indiquant que la photoactivation des atomes lourds est en partie responsable la réponse cellulaire. Par ailleurs, les GdNPs et les PtNPs se sont aussi montrées efficaces pour diminuer la survie cellulaire en combinaison à une irradiation à haute énergie (1.25 MeV) indiquant qu'un mécanisme de radiosensibilisation différent de la photoactivation intervient également. Les études précliniques, ont montré que le recouvrement complet de la tumeur par les NPs constitue un point clé pour garantir le bénéfice thérapeutique du traitement. Dans cette optique, une méthode de tomographie à deux énergies développée au synchrotron, a été caractérisée dans le cadre de ce travail. L'étude a permis d'imager de manière quantitative et simultanée la tumeur (mise en évidence par un AC iodé) et son recouvrement par des GdNPs (injectées par voie directe) chez le rongeur porteur d'un gliome. La correspondance entre la distribution de l'AC et la tumeur a également été étudiée à l'aide de techniques d'imagerie à haute résolution (IRM, tomographie X par contraste de phase et histologie).

SRPs (Small Rigid Platforms) are sub-5 nanometre nanoparticles, composed of a polysiloxane network surrounded by gadolinium chelates. SRPs have previously demonstrated their efficiency for multimodal imaging and theranostic applications, especially magnetic resonance imaging, scintigraphy, fluorescence imaging, and radiosensitization. The purpose of this thesis deals with the functionalization of these SRPs by targeting entities able to recognize and to bind to receptors that are over-expressed by tumours or by the matching endothelium. More specifically, three targeting molecules drew our attention: (i) c(RGDfK) – a cyclic pentapeptide containing the Arg-Gly-Asp motif, able to target the αuß3 integrin, an endothelial cell receptor for the proteins of the extracellular matrix and frequently expressed by tumour cells, (ii) a quinoxaline derivative – targeting melanin, which is over-expressed by melanomas (skin cancers) and (iii) a pyridinium moiety – targeting proteoglycans, which are over-expressed in chondrosarcoma (cartilage cancer). The different targeting molecules were then grafted to the SRPs in order to maximize their accumulation and retention in tumours with the aim to enhance the SRP efficiency as theranostic agents. The covalent coupling of the different targeting molecules to the SRPs and their quantification were performed by various physicochemical characterization techniques. Finally, the targeting of the functionalized SRPs was highlighted by several in vitro and/or in vivo assays thanks to numerous successful collaborations, Les SRPs (Small Rigid Platforms) sont des nanoparticules de taille inférieure à 5 nm, constituées d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. Les SRPs ont été développées pour des applications en imagerie multimodale, notamment en imagerie par résonance magnétique, en scintigraphie et en imagerie par fluorescence, ainsi que pour des applications en théranostic, et plus particulièrement, en radiosensibilisation. L'objectif de la thèse consiste à fonctionnaliser les SRPs par des entités de ciblage, capables d'identifier et de se lier à des récepteurs surexprimés par les tumeurs ou par l'endothélium qui leur est associé. Plus précisément, trois molécules ciblantes ont été retenues : (i) le c(RGDfK) – un pentapeptide cyclique contenant le motif Arg-Gly-Asp ciblant spécifiquement l'intégrine αuß3, récepteur de cellule endothéliale pour les protéines de la matrice extracellulaire et surexprimée par de nombreuses cellules cancéreuses, (ii) une molécule dérivée de la quinoxaline – ciblant la mélanine, sur-exprimée par de nombreux types de mélanomes (cancers de la peau), et (iii) un pyridinium – ciblant les protéoglycanes, sur-exprimés par le chondrosarcome (cancer du cartilage). Les différentes molécules ciblantes ont alors été greffées en surface des SRPs afin d'optimiser leur accumulation et leur rétention au sein des tumeurs, et par conséquent, d'augmenter le potentiel de ces SRPs en tant qu'agents théranostiques. Le couplage covalent des différents vecteurs aux SRPs et leur quantification ont été mis en évidence par diverses techniques de caractérisation physicochimiques et complémentaires. Enfin, le ciblage des nanoparticules vectorisées a été démontré par plusieurs tests in vitro et/ou in vivo lors de nombreuses collaborations pour les trois différents vecteurs

SRPs (Small Rigid Platforms) are sub-5 nanometre nanoparticles, composed of a polysiloxane network surrounded by gadolinium chelates. SRPs have previously demonstrated their efficiency for multimodal imaging and theranostic applications, especially magnetic resonance imaging, scintigraphy, fluorescence imaging, and radiosensitization. The purpose of this thesis deals with the functionalization of these SRPs by targeting entities able to recognize and to bind to receptors that are over-expressed by tumours or by the matching endothelium. More specifically, three targeting molecules drew our attention: (i) c(RGDfK) – a cyclic pentapeptide containing the Arg-Gly-Asp motif, able to target the αuß3 integrin, an endothelial cell receptor for the proteins of the extracellular matrix and frequently expressed by tumour cells, (ii) a quinoxaline derivative – targeting melanin, which is over-expressed by melanomas (skin cancers) and (iii) a pyridinium moiety – targeting proteoglycans, which are over-expressed in chondrosarcoma (cartilage cancer). The different targeting molecules were then grafted to the SRPs in order to maximize their accumulation and retention in tumours with the aim to enhance the SRP efficiency as theranostic agents. The covalent coupling of the different targeting molecules to the SRPs and their quantification were performed by various physicochemical characterization techniques. Finally, the targeting of the functionalized SRPs was highlighted by several in vitro and/or in vivo assays thanks to numerous successful collaborations; Les SRPs (Small Rigid Platforms) sont des nanoparticules de taille inférieure à 5 nm, constituées d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. Les SRPs ont été développées pour des applications en imagerie multimodale, notamment en imagerie par résonance magnétique, en scintigraphie et en imagerie par fluorescence, ainsi que pour des applications en théranostic, et plus particulièrement, en radiosensibilisation. L'objectif de la thèse consiste à fonctionnaliser les SRPs par des entités de ciblage, capables d'identifier et de se lier à des récepteurs surexprimés par les tumeurs ou par l'endothélium qui leur est associé. Plus précisément, trois molécules ciblantes ont été retenues : (i) le c(RGDfK) – un pentapeptide cyclique contenant le motif Arg-Gly-Asp ciblant spécifiquement l'intégrine αuß3, récepteur de cellule endothéliale pour les protéines de la matrice extracellulaire et surexprimée par de nombreuses cellules cancéreuses, (ii) une molécule dérivée de la quinoxaline – ciblant la mélanine, sur-exprimée par de nombreux types de mélanomes (cancers de la peau), et (iii) un pyridinium – ciblant les protéoglycanes, sur-exprimés par le chondrosarcome (cancer du cartilage). Les différentes molécules ciblantes ont alors été greffées en surface des SRPs afin d'optimiser leur accumulation et leur rétention au sein des tumeurs, et par conséquent, d'augmenter le potentiel de ces SRPs en tant qu'agents théranostiques. Le couplage covalent des différents vecteurs aux SRPs et leur quantification ont été mis en évidence par diverses techniques de caractérisation physicochimiques et complémentaires. Enfin, le ciblage des nanoparticules vectorisées a été démontré par plusieurs tests in vitro et/ou in vivo lors de nombreuses collaborations pour les trois différents vecteurs

In this thesis, a therapeutic effect of nanodiamonds (NDs) has been evidenced by investigating the role of NDs surface chemistry on their electronic properties. More precisely, the generation of reactive oxygen species from detonation NDs under ionizing radiation, which could improve current radiotherapy treatments, has been demonstrated. To this end, surface treatments facilitating electron transfer from NDs to their environment, namely hydrogenation and surface graphitization, were developed. Experimental conditions ensuring an efficient hydrogenation by hydrogen plasma were determined under ultrahigh vacuum, before being used to prepare large quantities of NDs in powder phase. A similar procedure was applied to the surface graphitization of NDs, performed by annealing under vacuum at high temperature. The impact of such surface treatments on the electronic interaction properties of NDs has been investigated under ambient air and after dispersion in water. These surface treatments induce a positive Zeta potential to NDs in water, which origin has been discussed. Finally, their interactions with human tumor cells were observed. Radiosensitization of tumor cells using NDs under gamma irradiation was demonstrated, opening new perspectives for NDs in nanomedicine.; A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. .

In this thesis, a therapeutic effect of nanodiamonds (NDs) has been evidenced by investigating the role of NDs surface chemistry on their electronic properties. More precisely, the generation of reactive oxygen species from detonation NDs under ionizing radiation, which could improve current radiotherapy treatments, has been demonstrated. To this end, surface treatments facilitating electron transfer from NDs to their environment, namely hydrogenation and surface graphitization, were developed. Experimental conditions ensuring an efficient hydrogenation by hydrogen plasma were determined under ultrahigh vacuum, before being used to prepare large quantities of NDs in powder phase. A similar procedure was applied to the surface graphitization of NDs, performed by annealing under vacuum at high temperature. The impact of such surface treatments on the electronic interaction properties of NDs has been investigated under ambient air and after dispersion in water. These surface treatments induce a positive Zeta potential to NDs in water, which origin has been discussed. Finally, their interactions with human tumor cells were observed. Radiosensitization of tumor cells using NDs under gamma irradiation was demonstrated, opening new perspectives for NDs in nanomedicine.; A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. .

Difficulties in drug administration in the CNS can be resolved by the use of new polymeric devices. This work demonstrates that beads loaded with doxorubicin (1mg/ml) (CM-BC1) or with irinotecan (100mg/ml) (CM-BC2) and developed by Biocompatible are safe when implanted in rat brain by stereotaxy. CM-BC2 are efficient on 9L rat glioma with a significant improvement of survival compared to the untreated and unloaded beads groups. But the combination of treatments isn't as good as attempted compared to the radiation therapy. The development of nanotechnology-based chemotherapy may improve these results. Pursuing on newly developed biocompatible lipid nanocapsules (LNC) that can improve efficacy of encapsulated drug together with revert multidrug resistance, we evaluated the potential radiosensitizing effects of paclitaxel-loaded LNC administered through CED in the 9L intracranial rat glioblastoma model. Although the "CED with paclitaxel-loaded LNC" group had the best median of survival of 54 days (twice more than the untreated group), the addition of a free or encapsulated local chemotherapy did not improve significantly the survival. While CED constitutes an attractive weapon against glioblastoma, the LNC concept remains perfectible with improvement of the sustained release or subcellular targeting.; Une des difficultés rencontrées lors de l'administration d'agents thérapeutiques au sein du parenchyme cérébral peut être résolue par l'utilisation de nouvelles formes galéniques implantables. Nous montrons dans ce travail la biocompatibilité dans le cerveau de rat des microsphères synthétisées par Biocompatibles facilement injectées par stéréotaxie et chargées en doxorubicine (1mg/ml) (CM-BC1) ou en irinotécan (100mg/ml) (CM-BC2). Nous avons ensuite rapporté l'efficacité des CM-BC2 sur le gliome 9L du rat avec une amélioration significative de la survie par rapport aux groupes non traité ou traité par microsphères blanches. La combinaison des traitements n'améliore pas significativement la survie par rapport à la radiothérapie seule. La récente expansion des nanotechnologies associée aux progrès des méthodes mini-invasives d'administration intracérébrale de médicaments offre l'opportunité d'améliorer ces résultats. Nous avons étudié, toujours sur lemodèle 9L, l'effet radiosensibilisant du paclitaxel, injecté en intratumoral par Convection-Enhanced Delivery (CED) et vectorisé par des nanocapsules lipidiques (LNC) développées par le laboratoire. Une tendance à l'augmentation se profile en faveur des LNC de paclitaxel qui permettent l'obtention de la meilleure médiane de survie (+10 jours par rapport au groupe irradié seul). Bien que les résultats soient non significatifs, l'association d'une chimiothérapie locale à la radiothérapie est intéressante. Il reste maintenant à optimiser les connaissances sur ce vecteur avec notamment possibilité d'adressage subcellulaire et amélioration de la cinétique de libération du principe actif.

Concurrent chemoradiation is one of the main weapon in the treatment of cancer. The targeted therapies may act on the mechanisms of tumor resistance to radiation and are therefore very promising in combination with radiotherapy. The STI571 (imatinib or Gleevec ®) inhibits specifically the Bcr-Abl tyrosine kinase. It leads to radiosensitization in K562 chronic myeloid leukemia cell line by alterations of the cell cycle. The BIBW2992 is a selective inhibitor of EGFR and HER2. The BIBW 2992 shows cytotoxic and radiosensitizing effects on pancreatic adenocarcinoma cells BxPC3 and Capan-2, regardless of KRAS status. The mechanism underlying this radiosensitization is not unequivocal, involving both changes in the cell cycle and induction of mitotic death. Our results show that the combination of an inhibitor of tyrosine kinase with ionizing radiation may lead to a radiosensitization in vitro with mechanisms depending on the type of cell line.; Les associations chimioradiothérapies occupent une place importante dans le traitement des cancers. De nouveaux médicaments ciblent spécifiquement la cellule tumorale. Ces thérapies ciblées peuvent agir sur les mécanismes de radiorésistance tumorale et sont prometteuses en association avec la radiothérapie. Le STI571 (imatinib ou Glivec) inhibe spécifiquement l'activité tyrosine kinase de Bcr-Abl. Il entraîne une radiosensibilisation dans la lignée de leucémie myéloïde chronique K562 en agissant sur le cycle cellulaire. Le BIBW2992 est un inhibiteur sélectif d'EGFR et HER2, responsable d'une cytotoxicité et d'une radiosensibilisation des cellules d'adénocarcinome pancréatique BxPC3 et Capan-2, indépendamment de leur statut KRAS. Le mécanisme sous-jacent cette radiosensibilisation n'est pas univoque, faisant intervenir à la fois des modifications du cycle cellulaire et une induction de la mort mitotique. Nos résultats montrent que l'association d'un inhibiteur de tyrosine kinase aux radiations ionisantes peut entraîner une radiosensibilisation in vitro dont les mécanismes sont variables en fonction du type de lignée cellulaire.