Nanoparticules de conversion ascendante pour la biodétection et l'imagerie de fluorescence.

Upconverting nanoparticles for fluorescence biosensing and bioimaging

• Auteur / Autrice : Federico Pini
• Direction : Niko Hildebrandt, Marta Maria Natile
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/03/2024
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Università degli studi (Padoue, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-2025)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Franck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Reiss, Oya Tagit, Aude Bouchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Reiss, Oya Tagit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie entre molécules fluorescentes

Imagerie en chimie

Luminescence

Lanthane -- Composés

Nanoparticules

Mots clés libres

Conversion ascendante

Nanomatériaux

Lanthanides

FRET

Luminescence

Bioapplications

Upconversion

Nanomaterials

Lanthanides

FRET

Luminescence

Bioapplications

Résumé

La conversion ascendante permet d'utiliser des photons de basse énergie, peu photo-toxiques et très pénétrants dans les matrices biologiques, pour produire des émissions dans l'ultraviolet et le visible. Ces émissions peuvent être mises en œuvre dans plusieurs systèmes optiques de biodétection et de bio-imagerie, caractérisés par leur grande précision, leur sensibilité et leur facilité de mise en œuvre.Cette thèse se concentre sur la préparation, le développement d'architectures avancées et l'optimisation de nanomatériaux à conversion ascendante à base de lanthanide pour des bioapplications. Nous avons optimisé la préparation de ces matériaux, concentrant sur l'obtention de cristaux de haute qualité. Ainsi, nous avons étudié les effets de l'interaction des solvants sur les propriétés de conversion ascendante afin d'en maximiser l'efficacité. En outre, nous avons développé des nanoarchitectures plus avancées caractérisées par des structures cœur-multicouches avec différentes teneurs en lanthanides, en étudiant leurs propriétés en tant que donneurs dans des biocapteurs basés sur le FRET pour les oligonucléotides de diagnostic du cancer. En outre, nous avons établi un lien quantitatif entre leurs caractéristiques structurelles et les performances FRET par le biais d'une modélisation avancée et, après avoir identifié les systèmes optimaux, nous les avons mis en œuvre dans l'imagerie de cellules vivantes, démontrant ainsi la biodétection FRET dans des matrices plus complexes.Deux projets de cette thèse ont également été dédié à l'étude de nouveaux systèmes de conversion ascendante de dimension réduite, à savoir les complexes de conversion ascendante polynucléaires. Nous nous sommes concentrés sur l'étude de leurs propriétés photophysiques, en établissant un lien entre leur structure et les propriétés de conversion ascendante experimental. Ces systèmes moléculaires ont ensuite été encapsulés dans des matrices polymères pour obtenir des nanomatériaux hybrides et utilisés comme agents de contraste dans les cellules vivantes.

Upconversion phenomenon allows the use of lower energy photons, minimally photo-toxic and highly penetrative in biological matrices, to produce ultraviolet and visible emissions. These can be implemented in several optical biosensing and bioimaging schemes, characterized by high accuracy, sensitivity and easy setting up.This thesis focuses on the development of advanced lanthanide-based upconverting nanomaterials for bio-related scopes. The synthesis of high quality upconverting nanocrystals was first optimized. Thus, we studied the effects of solvent interaction on upconversion properties to maximize its efficiency. Furthermore, we developed more advanced nanoarchitectures characterized by core-multishell structures with different lanthanide content to study their properties as donors in FRET-based biosensors for cancer diagnostic oligonucleotides. Additionally, their structural characteristics were correlated with FRET performances through advanced modelling. The optimal systems were implemented in live cell imaging, demonstrating the FRET biosensing in more complex matrices.The thesis also deals with the investigation of new upconverting systems with reduced dimensionality, namely polynuclear upconverting complexes. The photophysical properties were carefully investigated, and the upconversion efficiency was correlated to their structure by a theoretical model. These molecular upconverters have been then encapsulated in polymeric matrices to obtain hybrid nanomaterials and used as contrast agents in living cells.