Développement de complexes polynucléaires de lanthanides pour des applications biologiques

Development of polynuclear lanthanide complexes for biological applications

• Auteur / Autrice : Alexandra Vuillamy
• Direction : Josef Hamacek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/11/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de biophysique moléculaire (Orléans ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Alan Francis Williams
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Josef Hamacek, Alan Francis Williams, Yves Le Mest, Pascale Delangle, Stéphane Petoud, Vincent Aucagne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Le Mest, Pascale Delangle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoassemblage

Imagerie (technique)

Luminescence

Composés complexes

Métaux des terres rares

Imagerie en biologie

Mots clés libres

Complexe polynucléaire

Lanthanides

Auto-assemblage

Luminescence

Imagerie optique

Polynuclear complexe

Lanthanides

Self-assembly

Luminescence

Optical imaging

Résumé

Les systèmes moléculaires à base de cations lanthanides luminescents possèdent des propriétés photophysiques très intéressantes pour les applications en bioimagerie optique (résistance au photoblanchiment, bandes d’émission fines, temps de vie de luminescence longs). La lumière émise peut couvrir une large gamme spectrale, selon le cation lanthanide choisi. Cependant, les lanthanides ont des coefficients d’extinction faibles. Il est donc nécessaire d’utiliser une voie de sensibilisation indirecte - l’effet d’antenne, avec un chromophore placé à proximité du lanthanide. De plus, afin d’amplifier le signal émis, plusieurs cations métalliques peuvent être introduits dans la molécule. Dans cette thèse, nous avons cherché à développer de nouveaux agents potentiels d’imagerie à base de systèmes polynucléaires de lanthanides. Notre objectif a été de programmer l’assemblage de complexes supramoléculaires tridimensionnels et d’améliorer les propriétés optiques pour les applications biologiques. Pour ce faire, nous avons choisi d’employer des ligands tripodaux composés d’une ancre centrale triaminotriptycène et de trois bras possédant les sites coordinants. Ces ligands ont ensuite été modifiés de façon à optimiser les propriétés physico-chimiques. Par ailleurs, la synthèse de nouvelles plateformes centrales a été également effectuée afin de poursuivre leur développement dans le futur. La synthèse et la caractérisation de ligands tripodaux L1 et L2 et de leurs complexes avec des lanthanides ont été réalisées. Des études détaillées de spéciations avec les ligands L1 et L2 ont permis de démontrer la stabilité thermodynamique des systèmes tétranucléaires formés en préférence avec les lanthanides légers. Des études spectroscopiques ont caractérisé leur luminescence dans le visible et dans le proche infrarouge. D’autre part, nous avons préparé et caractérisé des nouveaux composés en combinant un chromophore porphyrinique et des récepteurs complexant les lanthanides. Ces sondes bimodales peuvent trouver une application dans l’imagerie et la thérapie photodynamique.

Molecular systems based on luminescent lanthanide cations have very valuable photo-physical properties for applications in optical bioimaging (resistance to photobleaching, sharp emission bands, and longue luminescence lifetimes). The emitted light can cover a wide spectral range, according to the chosen lanthanide cation. However, the lanthanides have low extinction coefficients and must be sensitized indirectly via the antenna effect by using a chromophore located in proximity. The luminescence intensity per molecule can be also increased by accommodating several lanthanides within a single compound. In this thesis, we report on the development of new potential imaging agents based on polynuclear systems with lanthanides. The main goal was to program supramolecular well-defined tridimensional complexes in order to enhance their optical properties for biological applications. To do this, we have chosen to employ tripodal ligands composed of a central triaminotriptycene anchor and three arms with coordinating sites. Moreover, these ligands have been functionalized to improve their physicochemical properties. In view of future developments, the synthesis of new central platforms was also performed. The synthesis and characterization of tripodal ligands L1 and L2 and their complexes with lanthanides were carried out. Detailed speciation studies with L1 and L2 show a high thermodynamic stability of tetranuclear systems formed preferably with lighter lanthanides. In addition, spectroscopic studies reveal that the sensitization of luminescence is achieved in the visible as well as in the near infrared. Furthermore, we have prepared and characterized novel compounds by combining a porphyrin chromophore and a receptor for lanthanide complexation. These bimodal probes may find applications in imaging and in photodynamic therapy.