Sondes métalliques pour la détection et l’imagerie

C. Cadiou – I. Déchamps – F. Chuburu

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Nous nous intéressons au développement et à la caractérisation de sondes pour la détection optique d’évènements de complexation, pour des applications en analyse et en imagerie. Ces sondes sont dérivées de chélates métalliques, basées sur des ligands polyamines. Les complexes sont des chélates d’ions de la première série de transition et des lanthanides.

D’un point de vue méthodologique nous optimisons les propriétés de coordination de ligands polyazotés (denticité, groupements coordinants additionnels) pour les adapter aux applications visées, en contrôlant et quantifiant systématiquement la stabilité thermodynamique et l’inertie chimique des complexes de coordination formés.

Pour cela notre activité se décline autour de trois pôles :

  • chimie de synthèse : modification sélective de ligands azotés par adjonction

- fonctions de greffage (liens amide, thiols, alcynes...)

- de groupements coordinants (acétate, amide...)

  • chimie de coordination :

- complexation de lanthanides, d’ions de la première série de transition

- caractérisation thermodynamique et inertie chimique de complexes pour l’imagerie

- caractérisation physicochimique de complexes pour l’imagerie : diffraction des RX, électrochimie, RMN, RPE, UV-visible, fluorescence, relaxométrie

  • nanochimie : élaboration de nanoparticules biocompatibles et biodégradables incorporant des complexes de coordination pour l’imagerie

Nos principales activités sont organisées autour du développement (i) de sondes fluorescentes pour la détection d’analytes endogènes et l’imagerie moléculaire et (ii) d’agents de contraste nanoparticulaires hypersensibles pour l’imagerie.

1- Sondes fluorescentes pour la détection d’analytes endogènes et l’imagerie moléculaire

Un certain nombre de cations métalliques (Zn2+, Cu2+) sont impliqués dans le développement de maladies neurodégénératives (maladie d’Alzheimer, de Parkinson, SLA,…). De récentes revues démontrent l’intérêt de pouvoir quantifier ces ions de façon précise. [1] Les ligands macrocycliques sont d’excellents complexants des ions de la première série de transition. En tant que tels, ils peuvent être engagés dans des sondes de type fluoroionophores, pour la détection de ces ions par fluorescence. L’architecture de ces sondes est basée sur l’association d’une unité macrocyclique complexante et d’un fluorophore.

Les systèmes que nous avons développés dans l’équipe fonctionnent sur le principe de l’annihilation de l’effet de transfert photoinduit (effet PET). En l’absence de cation métallique dans la cavité azotée, celle-ci se comporte comme un donneur d’électron pour le fluorophore porté à l’état excité. Le résultat est un quenching de fluorescence du ligand. En présence de cation, l’effet PET peut être annihilé d’où une restauration de la fluorescence et de façon induite, une détection possible du cation ainsi que son dosage.

Sur ce principe, nous avons démontré que des cyclens et cyclams fonctionnalisés par des groupements benzimidazole sont de bons détecteurs pour la signalisation sélective et le dosage du zinc, dans des domaines de concentration compris entre 0.1 et 0.5mM. [2-4]

Nos objectifs se tournent à présent vers l’aménagement fonctionnel des cavités macrocycliques et la complexation de ces nouvelles sondes par des lanthanides pour (i) leur greffage sur surface de silicium et détection optique de gaz (de type NOx) ainsi que (ii) le ciblage de récepteurs membranaires pour l’imagerie moléculaire.

2- Agents de contraste nanoparticulaires hypersensibles pour l’imagerie

Pour permettre des diagnostics fiables, les techniques d’imagerie requièrent une excellente résolution et une excellente sensibilité. Ces deux exigences sont rarement satisfaites par les méthodologies actuelles. Ainsi les méthodes optiques sont sensibles mais peu résolutives tandis que l’IRM propose une bonne résolution anatomique mais est peu sensible. L’intérêt est donc de coupler les techniques entre elles. Du côté du chimiste, cela demande de pouvoir associer, de façon covalente ou non, des sondes optimisées pour chacun de ces types d’imagerie. De ce point de vue, la conception de nano-objets capables d’associer en leur sein ces sondes est la voie que nous avons choisie d’explorer.

  • Nanoparticules incorporant des complexes de cuivre modèles pour l’imagerie PET

Les complexes de cuivre choisis pour cette étude sont le Cu(cyclen) et le CuDOTA. Les nanoparticules ont été élaborées à partir du PLGA (poly(D, L-lactide-co-glycolide), polymère biocompatible. L’encapsulation des complexes est réalisée par double émulsion W/O/W. Ce procédé est adapté à l’emploi d’une matrice hydrophobe (PLGA) et de principes actifs hydrophiles (Cu(cyclen) et/ou CuDOTA). Les résultats obtenus montrent que de fortes concentrations internes en complexes de cuivre peuvent être facilement obtenues. [5,6] Les nano-objets ne présentent pas par ailleurs d’activité cytotoxique avérée. [6]

  • Nanoparticules incorporant des complexes de gadolinium pour l’imagerie IRM

La stratégie choisie consiste à incorporer de façon non covalente des chélates de gadolinium au sein d’hydrogels. Ces hydrogels sont formés par assemblage supramoléculaire de biopolymères de type polysaccharides. Des concentrations intraparticulaires en gadolinium élevées peuvent ainsi être obtenues et ce, sans modification structurale majeure des chélates de Gd. Le confinement de ces fortes teneurs en chélate de Gd dans des poches hyper-hydratées permet d’atteindre des relaxivités proches du maximum prévu par la théorie SBM (r1~72.3 s-1mM-1, r2~177.5 s-1mM-1à 60 MHz). Les images obtenues sur modèle cellulaire à 3T confirment l’efficacité de ces nanoparticules. Un contraste net est ainsi obtenu en mode T1 et T2 et ce, à des doses plus faibles que celles normalement administrées. [7, 8]

Les objectifs que nous poursuivons visent à (i) mieux comprendre l’origine des gains de relaxivité observés sur les nanoparticules de Gadolinium (ii) associer au sein d’un même nano-objet des sondes de fonctionnalité différente et (iii) adresser les nanoparticules ainsi obtenues.

Ce travail pluridisciplinaire est mené en collaboration au sein de l’Institut de Chimie Moléculaire de Reims (Dr. M. Callewaert et Pr. M. C. Andry – groupe PFR), de l’Université de Reims (Pr. M. Molinari Laboratoire de Recherche en Nanosciences – Dr. S. Dukic unité MEDyC) du CHU de Reims (Pr. C. Hoeffel, Dr. C. Portefaix), de l’Université de Mons et du centre CMMI de Gosselies (Pr. R. L. Vander Elst et R. N. Muller NMR and Molecular Imaging Laboratory) et de l’Université de Bucarest (Pr. Anca Dinischiotu, Biochemistry and Molecular Biology Department). Deux entreprises sont associées au projet (Innov’Orga – Reims et Synolyne - Herstal)

Références

[1] H. Kozlowski, M. Luczkowski, M. Remelli, D. Valensin, Coord. Chem. Rev.2012, 256, 2129.

[2] A. El Majzoub, C. Cadiou, I. Déchamps-Olivier, F. Chuburu, M. Aplincourt, Eur. J. Inorg. Chem., 2007, 5087.

[3] A. El Majzoub, C. Cadiou, I. Déchamps-Olivier, F. Chuburu, M Aplincourt, B. Tinant, Inorg. Chim. Acta, 2009, 1169.

[4] A. El Majzoub, C. Cadiou, I. Déchamps-Olivier, B. Tinant, F. Chuburu, Inorg. Chem.2011, 50, 4029.

[5] T. Courant, V. G. Roullin, C. Cadiou, F. Delavoie, M. Molinari, M. C. Andry, F. Chuburu, Int. J. Pharm.2009, 379, 226.

[6] T. Courant, C. Cadiou, F. Delavoie, M. Molinari, M. C. Andry, V. Gafa, V. G. Roullin, F. Chuburu, Nanotechnology 2010, 165101.

[7] T. Courant, V. G.Roullin, C. Cadiou, M. Callewaert, M. C. Andry, C. Portefaix, C. Hoeffel, M. C. de Goltstein, M. Port, S. Laurent, L. Vander Elst, R. Muller, M.Molinari, F.Chuburu, Angew. Chem. 2012, 51, 9119-9122.

[8] M. Callewaert, V. G. Roullin, C. Cadiou, E. Millart, L. Van Gulik, M. C. Andry, C. Portefaix, C. Hoeffel, S. Laurent, L. Vander Elst, R. Muller, M. Molinari, F. Chuburu, J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 6397 – 6405

Financements

CPER NanoBio, CPER C@Nanos, CPER Synapses

2013 - Egide Tournesol n° 28873 YJ - ‘Conception et évaluation de nouveaux systèmes nanoparticulaires biocompatibles pour l’imagerie IRM’ – durée du projet 2 ans

2014 - Eranet Euronanomed2 Gadolymph N° ANR-13-ENM2-0001-01 - ‘Gadolinium Nanohydrogels for Lymph Node Magnetic Resonance Imaging’ – durée du projet 3 ans

Collaborations

PFR ICMR URCA (Dr. M. Callewaert et Pr. M. C. Andry : élaboration de nanoparticules métallées) - LRN URCA (Pr. M. Molinari : microscopie champ proche) - CHU Reims (IRM)

UMons et Center for Microscopy and Molecular Imaging (CMMI) (NMR and Molecular Imaging Laboratory équipe des Prs. L. Vander Elst et R. N. Muller : études relaxométriques de nanoparticules biocompatibles de Gadolinium – imagerie IRM in vivo)

UBucharest (Biochemistry and Molecular Biology Department – Pr Anca Dinischiotu : évaluation de la viabilité cellulaire en presence de nanoparticules)

University of Hull (Pr. S. J. Archibald : évaluation du pouvoir complexant de sondes fluorescentes vis à vis de lanthanides – inertie chimique des complexes – nanoparticules pour l’imagerie de récepteurs)