Conception, synthèse et caractérisation de composés de lanthanide fonctionnant comme agents bimodaux d'imagerie photoacoustique et d'émission proche infrarouge

Design, synthesis and characterization of lanthanide-based dual-mode photoacoustic and near-infrared emitting imaging agents

• Auteur / Autrice : Anton Kovalenko
• Direction : Stéphane Petoud, Svetlana V. Eliseeva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de biophysique moléculaire (Orléans ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Suzenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Suzenet, Talal Mallah, André F. Martins, Philippe Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Talal Mallah, André F. Martins

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie acoustique

Nanochimie

Photophysique

Mots clés libres

Lanthanide

Luminescence proche infrarouge

Imagerie optique

Photoacoustique

Nanoparticules

Chimie de coordination

Lanthanides

Near-infrared luminescence

Optical imaging

Photoacoustic

Nanoparticles

Coordination chemistry

Résumé

Différents types de nouvelles techniques d'imagerie biologique ont attiré une attention croissante au cours des dernières années, y compris la luminescence proche infrarouge et l'imagerie photoacoustique. Ces deux techniques fonctionnent avec de la lumière rouge – proche infrarouge dans la plage de la fenêtre de transparence biologique, ce qui permet de diminuer l'atténuation du signal dans les applications in vivo. Chaque technique possède des avantages spécifiques : l'imagerie par luminescence proche infrarouge présente une résolution et une sensibilité élevées, tandis que l'imagerie photoacoustique permet d'atteindre une profondeur de détection de signal plus élevée. La combinaison de ces deux modalités d'imagerie doit permettre de surmonter la limitation de chaque technique et d'obtenir des informations complémentaires. Cependant, le nombre d'agents d'imagerie bimodal combinant photoacoustique et luminescence proche infrarouge est encore faible alors que leur développement est en forte demande. Les ions lanthanide(III) ont des propriétés optiques uniques : ils présentent des bandes d'émission sous forme de lignes étroites dont les longueurs d’onde sont fixes dans le visible et dans le proche infrarouge, une grande différence d'énergie entre les longueurs d'onde d'excitation et d'émission et de longues durées de vie de luminescence. Il existe une restriction importante : les intensités d'émission des ions lanthanide(III) sont limitées par leurs faibles coefficients d'absorption en raison de la nature interdite de la plupart des transitions f-f. Pour surmonter cette limitation, des chromophores organiques fortement absorbants peuvent être utilisés comme sensibilisateurs en captant l'énergie de la lumière d'excitation et en la transférant aux niveaux d'acceptation du ion lanthanide(III). Dans ce travail, nous proposons d'utiliser la combinaison d'un ion lanthanide(III) émettant dans la région proche infrarouge et de chromophores organiques comme agents bimodaux pour l'imagerie photoacoustique et la luminescence proche infrarouge. Pour valider cette hypothèse, trois systèmes différents ont été choisis : i) des tétrakis β-dicétonates des lanthanide(III) formés avec des chromophores de cyanine, ii) des métallacrowns des lanthanide(III) modifiées avec des chromophores absorbant dans la région du proche infrarouge, iii) des nanoparticules de fluorure de lanthanide(III) modifiées en surface. Pour chaque système, la synthèse, la caractérisation et l'étude de la structure du composé correspondant de lanthanide(III) ont été réalisées. Les propriétés de luminescence proche infrarouge et photoacoustique des agents obtenus ont été intensivement étudiées, suggérant la possibilité de leurs applications in vivo.

Different types of novel biological imaging techniques have attracted an increasing attention in the last few years, including near-infrared (NIR) luminescence and photoacoustic (PA) imaging. Both techniques take advantage of the red-NIR light within the range of the biological transparency window, which allows to decrease the attenuation of signals in in vivo applications. Each technique possesses specific advantages: NIR luminescence imaging allows to acquire high resolution images at the cellular level and high sensitivity of detection while PA imaging allows to reach higher signal detection depth. Combination of these two imaging modalities will allow to overcome the limitation of each technique and get complimentary information. However, the number of dual-mode PA and NIR luminescence imaging agents is still limited while their development is in high demand.Lanthanide(III) ions (Ln3⁺) have unique optical properties: they exhibit line-like emission bands with fixed wavelength positions in the visible and in the NIR ranges, large energy difference between excitation and emission wavelengths and long luminescence lifetimes. As a drawback, the intensities of Ln3⁺ emission are limited by their small absorption coefficients origination from the forbidden nature of most of f-f transitions. To overcome this limitation, highly-absorbing organic chromophores can be used as sensitizers by absorbing the energy of the excitation light and transferring it to the accepting levels of Ln3⁺. Herein, we propose to use the combination of NIR-emitting Lanthanides and organic chromophores as dual-mode agents for PA and NIR luminescence imaging. To validate this hypothesis, three different systems have been chosen: i) Ln3⁺ tetrakis β-diketonates formed with NIR-absorbing cyanine chromophores, ii) Ln3⁺ metallacrowns modified with NIR chromophores, iii) surface-modified Ln3⁺ fluoride nanoparticles. For each system, the synthesis, characterisation, and investigation of the properties of the corresponding Ln3⁺ compound have been carried out. The NIR luminescence and PA properties of the obtained agents have been extensively studied, suggesting the possibility of their in vivo application.