Chélatants perfectionnés pour des techniques de diagnostic innovantes – ACHETE

L'objectif du projet est de développer une méthode efficace de tétra-N-fonctionnalisation du cyclam permettant l'introduction de quatre groupes coordinants bidentés, de type hydroxamate ou HOPO, pour concevoir des ligands octadendates pour la coordination du Zr4+. L'originalité de cette approche réside dans l'utilisation du cyclam comme plateforme de pré-organisation des quatre unités de coordination bidentates pour garantir une complexation rapide et efficace tout en assurant la solubilité aqueuse des complexes obtenus. Les études de radiomarquage au Zr-89 visent à développer un protocole de radiomarquage efficace et à évaluer la stabilité des radiochelates obtenus. Par ailleurs, le cyclam présente l'avantage de pouvoir être facilement dérivé en une version bifonctionnelle, c'est-à-dire possédant un groupe réactif supplémentaire, grâce à des méthodes de C-fonctionnalisation bien établies. L'objectif est de synthétiser une version bifonctionnelle des chélateurs les plus efficaces afin de les greffer sur anticorps ou sur polymères pour obtenir respectivement des produits radiopharmaceutiques pour l'immuno-TEP ou des polymères métalliques pour la cytométrie de masse.

Deux familles de ligands octadentates, basés sur le cyclam portant quatre unités hydroxamate (L1 et L2) ou HOPO (L3 et L4), ont été conçues. Les synthèses ont été optimisées pour être reproductibles. Les chélateurs ont fait l’objet d’études de coordination et de radiomarquage au 89Zr. Les premières évaluations de stabilité ont orienté la conception de futurs chélateurs pour une application in vivo. Les travaux sur la synthèse des dérivés bifonctionnels ont aussi été amorcés permettant le développement de radiopharmaceutiques pour l'immuno-TEP ou de polymères métalliques pour la cytométrie de masse. Cependant, des études préliminaires en cytométrie de masse ont soulevé des limitations en termes de sensibilité lors de la détection des isotopes stables du zirconium et les priorité sera donné à l'exploitation des chélates bifonctionnels pour une application en imagerie TEP.

En accord avec les objectifs initiaux, le projet a permis de développer deux familles de ligands octadentates pour la complexation du Zr4+. Les problèmes de solubilité habituellement rencontrés avec les chélates de Zr4+ ont pu être surmontés avec les dérivés AHA, au détriment cependant d’une plus faible stabilité des radiocomplexes résultants. Le comportement inverse est observé pour les dérivés HOPO. Les chélates sont limités par leur hydrosolubilité mais montrent une stabilité analogue au radiocomplexe de référence de la DFO. Ces résultats ouvrent la voie à de futures modifications structurelles, telles que l’introduction de motifs AHA plus rigides (PIPOH) ou la combinaison AHA/HOPO, dans le but d’atteindre un équilibre entre solubilité en milieu biologique et stabilité des (radio)complexes.
Le projet a permis des avancées dans le domaine en chimie de coordination du zirconium, encore peu exploré du fait des propriétés particulières de cet ion fortement chargé. Un accent particulier a été mis sur les tentatives de caractérisation des complexes, même si des efforts supplémentaires restent à fournir. Cependant, la conception de ces nouveaux ligands, et en particulier des ligands HOPO, permet également d’envisager l’exploration de cations métalliques aux propriétés similaires tels que Ti4+, Hf4+ et Sc3+. Ces deux derniers sont particulièrement intéressants pour des applications en médecine nucléaire. Les ligands HOPO pourront ainsi être testés pour la coordination du scandium. Ce métal de la famille des terres rares est considéré comme un acide dur de Lewis dû à son petit rayon ionique et à sa charge +3. Il possède plusieurs radionucléides pour lesquels l’intérêt ne cesse de croître. En particulier, le 43Sc et 44Sc, émetteurs de positons, sont adaptés à l’imagerie TEP, alors que le 47Sc, émetteur ß-, présente un fort potentiel en radiothérapie. L’ensemble de ces isotopes forment ainsi des paires théranostiques (44Sc/47Sc ou 43Sc/47Sc) prometteuses.
La transposition des méthodes de tétrafonctionnalisation du cyclam à des plateformes bifonctionnelles a été validée, ouvrant d’intéressantes perspectives dans le cadre de ce projet mais ouvre également des perspectives dans d’autres domaines comme celui de la catalyse ou encore des matériaux fonctionnels.
Concernant la CM, bien qu’aucun résultat concluant n’ait été obtenu avec le Zr4? en raison de sa faible sensibilité isotopique, le projet a permis d’initier un partenariat avec la plateforme Hyperion et le laboratoire LBAI de l’UBO, autour d’un projet portant sur le développement de nouveaux agents de marquage à base d’autres métaux (In3+, La3+ et Bi3+). En cas de succès, ces travaux pourraient déboucher sur un dépôt de brevet ou susciter un intérêt industriel.

Les travaux ont été présentés lors de congrès nationaux ou internationaux sous la forme de communications orales (Journée scientifique annuelle CGO réseau « Vectorisation, Imagerie, Radiothérapies », 16th international workshop CGO « Tumour Targeting, Imaging, Radiotherapies », GECOM-CONCOORD) ou de posters (Congrès SCF 2023, Journée de la recherche de l’UBO, Journées de la SCF-BPL 2024). Deux publications sont en cours de rédaction et seront soumises avant la fin de l’année 2025.

Afin d’assurer le suivi d’un patient atteint d’un cancer, depuis son diagnostic et durant tout le processus de (post)traitement, l’imagerie anatomique n’est plus suffisante et nécessite d’être couplée à des techniques d’analyse sur cellules individuelles pour mieux comprendre les caractéristiques des cellules cancéreuses.
Parmi les modalités d’imagerie, la TEP (Tomographie par Emission de Positons) est particulièrement sensible et couplée à la spécificité d’un anticorps, elle permet un diagnostic ciblée (immunoTEP). Les radioisotopes métalliques, font actuellement l’objet d’intenses recherches car leur grande variété permet d’élargir le champ des tumeurs décelables.
Au niveau de l’analyse monocellulaire, la cytométrie de masse (CM) est particulièrement puissante. Elle découle directement de la cytométrie en flux, mais la détection des cellules marquées se fait par spectrométrie de masse qui est hautement résolutive. Les propriétés uniques de la CM permettent l'identification de populations cellulaires rares grâce à la détection d’anticorps marqués par des isotopes d’ions métalliques stables.
Pour ces deux modalités de diagnostic in vivo et in vitro, l’utilisation de Zr(IV) est particulièrement intéressante. Mais comme tout métal, il ne peut pas être utilisé sous sa forme libre mais sous la forme d’un complexe métallique stable et soluble en milieu biologique.
Le Zr(IV) possède un isotope émetteur bêta+, le Zr-89, qui grâce à son énergie moyenne (397 kV) permet d’obtenir des images TEP avec un très bon rapport signal/bruit. Son temps de demi-vie relativement long (78,4 h), permet de l’associer à des anticorps ayant une cinétique de biodistribution lente et donc de détecter des cancers longs et/ou difficiles d’accès ou d'évaluer la réponse des patients à la radiothérapie. Actuellement, le marquage d’anticorps au Zr-89 se fait via un chélateur linéaire, la Déférioxamine B (DFO). Or plusieurs études ont montré le relargage in vivo de Zr-89 libre qui s’accumule dans les os.
Les agents de marquage utilisés en CM reposent sur des anticorps sur lesquels sont greffés des polymères fonctionnalisés par de multiples copies d’un même complexe métallique. Le large choix d’isotopes métalliques existant permet théoriquement l’accès à 135 canaux de détection, et donc d’identifier autant de composants cellulaires, sans recouvrement des signaux, pour une étude complète des fonctionnalités des systèmes biologiques. Or actuellement seuls les isotopes des ions lanthanides sont pleinement exploités (38 paramètres). Pour répondre à la complexité cellulaire, l’accès à de nouveaux métaux, comme le Zr(IV) qui possède 4 isotopes stables exploitables, est indispensable. Or ceci nécessite de développer de nouveaux polymères chélatants et plus particulièrement des unités chélatantes spécifiques du métal à considérer pour former des complexes stables ne se dissociant pas dans le milieu cellulaire. Dans la littérature, un seul polymère a été proposé pour l’utilisation de Zr(IV), il est à base de DFO mais est limité par des problèmes de solubilité dans l’eau.
En vue des limitations de la DFO en milieu biologique, il est indispensable de proposer de nouveaux chélatants du Zr(IV). Il parait d’autre part judicieux de pouvoir disposer d’une unique famille de ligands qui pourrait s’employer tant pour l’imagerie immuno-TEP que pour la cytométrie de masse. Les polyamines cycliques sont reconnues pour leurs excellentes propriétés de coordination. De plus, fonctionnalisées de manière adéquate, elles permettent d’être spécifiques d’un métal donné. L’objectif du projet est de développer de nouveaux chélatants polyazamacrocycliques du Zr(IV) stables et solubles en milieux biologiques ainsi que leurs analogues bifonctionnels qui seront ensuite couplés directement sur anticorps et testés comme radiopharmaceutiques pour l’imagerie immunoTEP au Zr-89 mais aussi utilisés pour la conception de polymères chélatants pour la cytométrie de masse.