Self-assembly of dynamic polymers and nucleic acid recognition

L’auto-assemblage contrôlé de systèmes supramoléculaires dynamiques est un défi actuel majeur en vue d’applications en biologie et santé. Le travail de cette thèse se focalise sur la conception rationnelle de composés capables de s’auto-assembler par chimie dynamique covalente et/ou supramoléculaire afin de former des auto-assemblages polymères en milieu aqueux.Le premier projet utilise une approche de chimie covalente dynamique qui se décline ici par la synthèse de glycoconjugués peptidiques complémentaires (bis-aldéhydes et oxyamine-hydrazide) permettant l’auto-assemblage, par poly-condensations acyl-hydrazone et oxime, d’un polymère covalent dynamique pour la vectorisation d’un siARN thérapeutique. Les résultats présentés montrent que la formation de ce polymère se produit in situ, c’est à dire en milieu aqueux en présence du siARN qui joue de rôle de « template » en assistant la polymérisation covalente dynamique qui sinon ne se produit pas aux faibles concentrations utilisées. Cet auto-assemblage guidé par la cible conduit ensuite à une présentation multivalente de ligands glycosylés qui déclenche alors la pénétration cellulaire sélective médiée par l’interaction de reconnaissance ligand-récepteur.Le second projet porte sur l’auto-assemblage supramoléculaire de petites molécules aromatiques cationiques et sur leurs interactions avec des acides nucléiques. Trois cœurs aromatiques ont été choisis pour leur faculté d’auto-assemblage supramoléculaire et leurs propriétés intéressantes pour des applications biologiques : les porphyrines pour leur rôle en tant que photosensibilisateur en thérapie photo-dynamique (PDT), les tétraphényléthène pour leurs propriétés d’émission de fluorescence à l’état agrégé et les triarylamines pour les propriétés de conduction électronique des polymères supramoléculaires correspondants. Ces différents cœurs ont été fonctionnalisés pour présenter de multiples groupements cationiques permettant des interactions avec les acides nucléiques. Les modes de reconnaissance entre chaque cœur aromatique et différents types d’acides nucléiques ont été étudiés par des techniques spectroscopiques. Enfin, nous avons pu apporter une preuve de principe de l’utilisation de porphyrines tétraguanidylées comme vecteur auto-assemblé pour la thérapie duale combinant délivrance de siARN et PDT.Le troisième projet se propose d’identifier des polymères supramoléculaires se formant de manière hiérarchique par la combinaison d’un auto-assemblage covalent dynamique et d’une polymérisation supramoléculaire. Pour cela, des cœurs aromatiques fluorescents hydrosolubles fonctionnalisés par des aldéhydes sont conjugués à des bras périphériques hydrazides. Le cœur aromatique constitue alors le socle de construction de l’édifice supramoléculaire et les bras hydrazides les éléments stabilisants. L’auto-assemblage dynamique covalent par de multiples condensations acyl-hydrazone permet ainsi la formation d’un monomère qui peut spontanément s’auto-assembler en polymère supramoléculaire. Un criblage par spectroscopie de fluorescence a été mis en place pour identifier les partenaires hydrazides conduisant à une exaltation de fluorescence par agrégation, conduisant à la sélection d’hydrazides aromatique (benzhydrazide) ou peptidiques (dipeptide phénylalanine, pentapeptide cationique). Les études menées démontrent le rôle de l’auto-assemblage hiérarchique qui résulte en la formation contrôlée de nanostructures fluorescentes.The controlled self-assembly of dynamic supramolecular systems is an actual challenge for biological and health applications. This PhD thesis is focused on the rational design of compoundss capable of self-assembly by dynamic covalent and/or supramolecular chemistry to form polymer self-assemblies in aqueous media.The first project uses a dynamic covalent chemistry approach. It consists in the synthesis of complementary glycoconjugated peptides (bis-aldehydes and oxyamine-hydrazide) allowing the self-assembly, by acyl-hydrazone and oxime poly-condensations, of a dynamic covalent polymer for siRNA delivery. The results presented show that the formation of this polymer occurs in situ, i.e. in an aqueous medium in the presence of the siRNA which acts as a "template" by assisting the dynamic covalent polymerization which otherwise does not occur at the low concentrations used. This siRNA-templated self-assembly then leads to a multivalent presentation of glycosylated ligands which then triggers selective cell penetration mediated by the ligand-receptor recognition interaction.The second project focuses on the supramolecular self-assembly of small aromatic cationic molecules and their interactions with nucleic acids. Three aromatic cores were chosen for their supramolecular self-assembly and their interesting properties for biological applications: porphyrins for their role as photosensitizers in photodynamic therapy (PDT), tetraphenylethenes for their aggregation-induced emission properties, and triarylamines for the electronic conduction properties of the corresponding supramolecular polymers. These different cores have been functionalized to present multiple cationic groups for the binding to nucleic acids. The recognition modes between each aromatic core and different types of nucleic acids have been studied by spectroscopic techniques. Finally, we were able to provide a proof of principle for the use of tetraguanidylated porphyrins as a self-assembled vector for dual therapy combining siRNA delivery and PDT.The third project proposes to identify supramolecular polymers that form hierarchically through the combination of dynamic covalent self-assembly and supramolecular polymerization. For this purpose, water-soluble fluorescent aromatic cores bearing aldehyde groups were conjugated with peripheral hydrazides. The aromatic core acts as building block for the supramolecular polymer, and the hydrazide as stabilizing side-groups. The dynamic covalent self-assembly by multiple acyl-hydrazone condensations allows the formation of an intermediate monomer that can spontaneously self-assemble into a supramolecular polymer. A fluorescence spectroscopy screening was set up to identify hydrazide partners leading to fluorescence enhancement by aggregation, resulting in the selection of aromatic (benzhydrazide) and peptide (phenylalanine dipeptide, cationic pentapeptide) hydrazides. These subsequent studies demonstrated the role of the hierarchical self-assembly on the controlled formation of fluorescent nanostructures