Nanoparticules à luminescence persistante pour la bioimagerie – PEPSI

Le but ultime de l'imagerie in vivo est de fournir des outils pour sonder l'intérieur d'un corps afin d'obtenir des informations pathologiques, examiner la progression ou la régression des maladies, et évaluer l'efficacité des médicaments. Pour atteindre un tel objectif, le développement d'agents de contraste est requis. Les récents développements en nanotechnologie ont ouvert la voie à des changements considérables dans le domaine médical pour le diagnostic de diverses maladies, leur traitement et leur prévention.
L'imagerie par fluorescence est devenue une méthode de visualisation dominante dans la recherche biomédicale en raison de sa grande sensibilité, sa facilité d'utilisation et son faible coût. L'imagerie in vivo utilisant des sondes fluorescentes a montré des résultats prometteurs dans des contextes cliniques, tels que la détection précoce du cancer du sein, la chirurgie endoscopique et le diagnostic de micrométastases.

Cependant, l'autofluorescence dûe à l'émission de lumière par des fluorophores endogènes, également excités lorsqu'on excite la sonde, produit toujours un bruit de fond substantiel, ce qui limite considérablement la qualité des images, en particulier lorsque de faibles concentrations de sonde fluorescente s'accumulent au niveau de la cible.

Contrairement aux sondes optiques commerciales classiques, telles que des molécules fluorescentes ou des puits quantiques (QD) qui nécessitent une excitation continue pour émettre un signal lumineux, il existe des matériaux dit "à luminescence persistante" qui sont capables de stocker l'énergie d'excitation au niveau de pièges (défauts ou dopants particuliers introduits dans le matériau) pour ensuite libérer lentement de la lumière, par activation thermique, pendant des temps qui peuvent aller de quelques minutes à quelques heures. Cette propriété est d'un intérêt particulier pour la bio-imagerie in vivo, car elle va permettre d'exciter le matériau et d'enregistrer des images à des temps ou les fluorophores endogènes n'émettent plus de signal (ces derniers ont des temps d'émission de l'ordre de la nanoseconde). Cette différence dans le temps d'émission de luminescence va permettre de s'affranchir du signal parasite d'autofluorescence, et va donner accès à des images avec un très bon rapport signal/bruit de fond.

En 2007, des membres du consortium ont montré, pour la première fois, qu'il était possible de faire de l'imagerie optique du petit animal en préparant une
telle sonde, composée d'un silicate dopé avec Eu, Dy et Mn.
Toutefois ce matériau, identifié dans ce travail pionnier, avait une limite qui était le temps pendant lequel on pouvait suivre son émission la persistance de la luminescence. Du fait de l'excitation de la sonde uniquement ex vivo par des rayons UV, le temps pendant lequel on pouvait la détecter in vivo était de l'ordre d'une heure ce qui pour beaucoup d'applications n'était pas suffisamment long.

En 2013 les partenaires 1 et 2 ont proposé une innovation permettant de surmonter cette limite puisqu'ils ont conçu une nouvelle sonde à luminescence persistante aux propriétés optiques adaptées pour faire de l'imagerie in vivo sur des temps très longs en mettant en évidence la propriété d'un gallate de zinc dopé avec 0.25% de Cr3+ qui peut etre ré-exciter à travers les tissus des animaux pour une LED émettant à 600 nm (brevet CNRS 2013; Nature Materials 2014, 13, 418-426).

Toutefois, cette nanosonde nouvellement découverte souffre d'un certain nombre de lacunes si on souhaite en faire un réel compétiteur des sondes commerciales notamment: 1) une taille relativement grande: le processus de synthèse actuel donne accès à 80 nm (HD) et en trop petite quantité, 2) une possibilité de modifier les longueurs d’onde d’emission (Yb, Ni, Cr) et les processus de photo-stimulation , 3) une information sur le devenir à terme de ces sondes après leur injection, et sur leur éventuelle toxicité.