Nanocristaux moléculaires fluorescents enrobés de coquilles silicatées: vers un nouveau type de traceurs lumineux pour l'imagerie intravitale – ULTRABRIGHT-TRACERS

L’imagerie de la vascularisation de tumeurs et leur évolution après thérapies est un point clé dans l’évaluation et la validation de nouveaux protocoles de traitement anticancéreux. Toutes les méthodes d'imagerie médicale n'ont pas la résolution spatiale suffisante pour détecter les changements microscopiques apparaissant au niveau des capillaires sanguins. La microscopie de fluorescence à deux photons est actuellement la seule technique qui permette de visualiser ces changements vasculaires à l’échelle microscopique. Cependant, elle exige l’utilisation de traceurs fluorescents très lumineux, stables colloidallement en solution physiologique et de diamètres compris entre 20 et 100 nm afin d’être non diffusible au travers les parois des vaisseaux sanguins. L’objectif est l’imagerie 3D en profondeur (un mm) de la micro-vascularisation du cortex cérébral de souris par fluorescence excitée à 2-photons. Ainsi, nous envisageons de contrôler la synthèse et les propriétés de nanoparticules hybrides constituées par un noyau monocristallin organique fluorescent entouré d'une coquille silicatée transparente pour obtenir des traceurs stables et biocompatibles. Ces nanoparticules hybrides novatrices (nanocrystal organique–coquille silicatée amorphe), de diamètre compris entre 20 et 100 nm, constitueront une nanoplateforme multifonctionnelle, facilement dispersable en milieux biologiques qui devrait présenter de bonnes propriétés de vectorisation couplées à de fortes intensités de fluorescence excitée à 2 photons.
L'Institut Néel (groupe MatONLP) a récemment démontré la faisabilité d’un procédé de synthèse de ces nanoparticules à partir de solutions sol-gel contenant les précurseurs de la coquille silicatée, un solvant organique et le fluorophore à nanocristalliser. Ces solutions sont nébulisées (goutte de l’ordre du ?m) et rapidement séchées sous flux laminaire dans un four tubulaire (120-150°C). Sous l’effet de l’évaporation rapide du solvant, il se forme tout d’abord une croûte silicatée dense en surface des gouttelettes, suivie par la nucléation et la croissance du fluorophore moléculaires au cœur des nanoparticules silicatées. On peut ainsi, grâce à ce mécanisme d’auto organisation spontanée, dont la force motrice est le confinement de la nucléation, obtenir en une seule étape des nanoparticules cœur-coquille de manière reproductible et en grandes quantités (grammes, brevet CNRS). Afin d’obtenir des nanoparticules très fluorescentes dans le rouge et proche IR (fenêtre de transparence biologique), le groupe « Chimie pour l'Optique » de l’ENS-Lyon réalisera une ingénierie moléculaire spécifique afin de sélectionner des molécules organiques très fluorescentes dans l’état cristallin. La nucléation et la croissance confinée de ces nouveaux fluorophores dans les nanoparticules silicatées devra être parfaitement contrôlée en maîtrisant simultanément les réactions d'hydrolyse et de condensation d’alcoxydes de silicium introduits dans les solutions sol-gel initiales. Plusieurs poly(n-trialcoxysilanes) seront conçus et synthétisés par le groupe CMOS, (ICG-Montpellier) afin d'obtenir des coquilles silicatées optimisées: non poreuses, hydrophiles, biocompatibles et possédant une grande stabilité colloïdale en solutions physiologiques. Ces coquilles silicatées devront présenter une chimie de surface qui favorise leurs fonctionnalisations par greffage de molécules biologiques (peptides) pour le ciblage in vivo de cellules endothéliales de tumeurs cancéreuses. Les conditions d’élaboration des nanoparticules seront ajustées grâce à différentes caractérisations couplées (microscopies électroniques, Raman, Zetamétrie, XPS…). Ensuite, la spectroscopie à deux photons des nanoparticules hybrides obtenues sera étudiée. Enfin, les études biologiques, tests de biocompatibilité et microscopie intravitale à deux photons sur le cortex cérébral, des souris saines ou porteuse de tumeurs cérébrales seront réalisées par l'INSERM U836-GIN.