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Développement de sondes IRM et TEP/TEMP pour la détection quantitative du Zn(II) et du Cu(II) – ZiCoRes

Sondes d'imagerie pour la détection de cations physiologiques

Développement de sondes IRM et TEP/TEMP pour la détection quantitative du Zn(II) et du Cu(II)

Détection quantitative du zinc et du cuivre

La compréhension de la distribution des métaux dans les systèmes vivants par de l’imagerie non-invasive est cruciale pour obtenir une meilleure idée de l’homéostasie de ces métaux, ainsi que de leur implication dans diverses maladies, et à terme cela pourrait même en permettre un meilleur traitement. Le but de ce projet est d’identifier les agents de contraste les plus prometteurs pour une détection quantitative du cuivre et du zinc in vivo. Pour cela, nous nous concentrerons principalement sur la caractérisation in vitro complète de ces sondes (stabilité, toxicité, spécificité, affinité pour le cation à détecter), une étape indispensable pour la compréhension future de ces systèmes in vivo. Ce projet consiste donc à concevoir, synthétiser et valider des sondes actives dans deux modes d’imagerie : l’Imagerie par résonance Magnétique nucléaire (IRM) et la tomographie à émission de positron (TEP) ou à émission monophotonique (SPECT). L’IRM sera la technique « responsive » (variation de la réponse en fonction du cation métallique à détecter) alors que le PET/SPECT sera la technique « quantitative » (réponse proportionnelle à la concentration en agent uniquement). Nous proposons donc des ligands capables de complexer à la fois Gd3+ pour l’IRM et un lanthanide radioactif pour le PET/SPECT. Ces complexes seront mélangés dans des proportions respectant la sensibilité des deux techniques, et en raison du comportement chimique similaire des Ln3+, nous attendons une biodistribution identique. La superposition des images obtenues par les deux techniques permettra de remonter de façon non ambigüe à la concentration du zinc ou du cuivre.

Nous nous attacherons à concevoir, synthétiser et caractériser des sondes IRM «intelligentes« pour la détection du zinc et du cuivre. Pour cela, les sondes seront composées d'une partie complexante du Ln3+ (thermodynamiquement et cinétiquement stable, sans interaction avec les anions), d'une partie complexante du cation à détecter (sélective pour ce cation), et d'un espaceur. Toutes les parties pourront être optimisées indépendamment pour améliorer la réponse. La potentiométrie sera utilisée pour déterminer la stabilité thermodynamique des complexes formés. La relaxométrie et la RMN de l'17O seront utilisés pour déterminer les paramètres influençant l'efficacité du complexe en tant que sonde IRM. Des techniques complémentaires (UV, fluoresence) pourront également être utilisées au besoin.

Au cours de ces 18 premiers mois un ligand a été synthétisé avec succès. La synthèse a été optimisée afin d’obtenir des quantités conséquentes de produits permettant de réaliser les études physico-chimiques nécessaires. Les résultats sont prometteurs puisqu'une détection du Zn2+ par relaxométrie est possible en présence de BSA (Bovine Serum Albumin).
Deux autres ligands sont en cours de synthèse et devraient être obtenus dans des quantités suffisantes au cours des prochaines semaines.
Du point de vue de la production de Ln3+ radioactifs, nous nous sommes pour l’instant focalisé sur la production de 165Er à partir de 165Ho. Les résultats obtenus sont très encourageants, et des études pour séparer Ho résiduel de Er sont en cours.

Dans un avenir proche, nous envisageons donc l’étude physico-chimique complète des complexes correspondant aux deux ligands en cours de synthèse, à savoir la stabilité thermodynamique de ces complexes, leur sélectivité par rapport aux cations physiologiques, la réponse relaxométrique de ces complexes au Zn2+, et une éventuelle sélectivité pour le Zn2+ par rapport aux autres cations physiologiques (Cu2+, Ca2+, Mg2+…). En fonction des résultats obtenus, nous envisageons d’utiliser la molécule la plus prometteuse, et de synthétiser et étudier son homologue cyclique (au niveau de la complexation de Gd3+), afin de comparer les résultats obtenus.

Publication: Bonnet C.S., Caillé F., Pallier A., Morfin J.-F., Petoud S., Suzenet F., Tóth E., Chem. Eur. J., 2014, 20, 10959-10969. “Mechanistic studies of Gd3+-based MRI contrast agents for Zn2+ detection: towards a rational design”

Commun

L’imagerie moléculaire a pour but de visualiser l’expression et la fonction de molécules bioactives, qui sont souvent à l’origine de maladies spécifiques. Les ions métalliques, qui sont impliqués dans de nombreux processus biologiques fondamentaux, sont étroitement régulés, et un dérèglement de cette régulation peut conduire à de graves maladies. La compréhension de la distribution des ions métalliques dans les organismes vivants est cruciale pour mieux comprendre l’homéostasie de ces ions, ainsi que les maladies qui en découlent, et pourrait finalement contribuer au traitement de ces pathologies.
L’objectif de ce projet est de concevoir, de synthétiser et de valider des sondes d’imagerie efficaces pour la détection quantitative de Zn2+ et Cu2+. Notre approche sera basée sur la combinaison de deux modalités d’imagerie : l’Imagerie par Résonance Magnétique nucléaire (IRM) et la Tomographie par Emission de Positons (TEP) ou la Tomographie d’Emission MonoPhotonique (TEMP). L’IRM sera la technique de détection, et le PET ou SPECT sera la technique quantitative. Nous proposons de concevoir un ligand qui peut complexer à la fois Gd3+ pour l’IRM et un Ln3+ radioactif actif en TEP ou TEMP. Les deux complexes ainsi obtenus seront mélangés dans des proportions prenant en compte la différence de sensibilité des deux techniques. La similarité de comportement chimique des deux complexes de Ln3+ va permettre d’obtenir une biodistribution identique, et de superposer les images obtenues avec les deux techniques. La combinaison de la détection IRM et TEP ou TEMP va permettre de détecter de façon quantitative l’ion métallique via la réponse IRM sensible au cation métallique visé. Cette approche offre de nombreux avantages dont : (i) une synthèse de ligand unique, (ii) un maniement de matière radioactive réduit au minimum, (iii) une conception versatile.
Les ligands seront conçus selon une approche modulaire et seront constitués de trois parties :
(1) le chélate de Ln3+, qui doit être thermodynamiquement stable, cinétiquement inerte, et qui ne doit pas interagir avec les anions physiologiques
(2) l’unité complexant Zn2+ ou Cu2+, qui doit être sélective du cation choisi
(3) un espaceur entre les deux unités précédentes
La réponse IRM du complexe de Gd3+ sera basée sur un changement du nombre d’hydratation de ce dernier en présence de Zn2+ ou Cu2+. Cette approche modulaire nous permettra d’optimiser séparément les différentes parties de la molécule afin de converger rapidement et efficacement vers les molécules les plus prometteuses pour la détection des cations envisagés. Cette conception va aussi s’appuyer sur des études physico-chimiques complètes et poussées afin de comprendre le rôle des paramètres microscopiques influençant la réponse IRM. La toxicité in vitro et in vivo, ainsi que la biodistribution de ces composés seront également évaluées.
Ce projet est un premier pas vers l’imagerie in vivo de Zn2+ et Cu2+ qui demandera plus de développements en terme de ciblage et de passage de la barrière hémato-encéphalique. Ce projet va amener de nouvelles compétences au sein de l’équipe, en particulier à travers la collaboration avec le CEMTHI pour ce qui concerne l’imagerie nucléaire. Ce projet fait partie intégrante des développements actuels pour créer un pôle d’imagerie en région Centre et plus particulièrement à Orléans.

Coordinateur du projet

Madame Célia BONNET (CNRS - Centre de Biophysique Moléculaire) – celia.bonnet@cnrs-orleans.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CBM UPR4301 CNRS - Centre de Biophysique Moléculaire

Aide de l'ANR 235 955 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2013 - 48 Mois

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