DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Complexes de lanthanides comme sondes redox radicalaires – Co-lantha

Conception de COmplexes de cations LANTHAnide radicalaires pour la détection rédox

Ce projet vise à concevoir des complexes à base de cations lanthanides pour mesurer le statut rédox. Une application majeure est l'imagerie biomédicale non-invasive (fluorescence, IRM). Notre approche inédite consiste à utiliser une ligand rédox-actif. Le changemenrt d'état d'oxydation du ligand induira un changement des propriétés du cation métallique fluorescent et une modification des temps de relaxation de la molécule d'eau coordinée.

Enjeux de l'imagerie rédox et cahier des charges

La mesure en temps réel du stress oxydatif et son imagerie par des techniques cliniques non-invasives telles que la fluorescence et l'IRM peut avoir des applications à des fins à la fois de diagnostic et thérapie. Le stress oxydatif i.e. «la rupture d'homéostasie cellulaire rédox« est considéré comme une des causes chronique à des nombreuses pathologies du 21e siècles dans les pays industrialisés: Cancer, maladies cardiovasculaires, maladies neurodégénératives ... Il est de plus établi que les niveaux d'oxygénation des tissus tumoraux sont très hétérogènes, avec par exemple des zones pauvres en oxygènes résultant de leur prolifération rapide et massive. On peut imaginer que de nouveaux outils permettant une mesure d'hypoxie sensible, précise et adaptée aux équipements existants puisse être d'un grand intérêt afin de détecter les tumeurs. De plus il a été montré que la faculté de certaines cellules cancéreuses à maintenir un environnement cellulaire très réducteur était corrélée à l'agressivité du cancer et sa réponse aux agents chimiothérapeutiques, radiations ... Ces mêmes outils pourraient ainsi servir à diagnostiquer l'agressivité et orienter le type de traitement. <br />Notre approche est basée sur l'utilisation de cations lanthanides dont les propriétés sont remarquables: i) Des complexes de gadolinium destinés à être utilisés en IRM et ii) des complexes d'ytterbium/europium pour l'imagerie par fluorescence, en plein essor actuellement. L'environnement du métal devra comporter des ligands forts (pour éviter la décomplexation), une antenne (pour sensibiliser les lanthanide fluorescents), une possibilité de vectorisation (pour contrôler le ciblage et la pénétration cellulaire) et une unité rédox active dont le changement d'état rédox devra induire des changements détectables de propriété du métal.

Notre approche consiste à utiliser des cations lanthanides pour l'imagerie. Ces métaux possèdent des propriétés remarquables déjà largement mises à profit: Le gadolinium(III), avec ses 7 électrons non appariés est un agent de contraste incontournable en IRM. L'europium est luminescent et largement utilisé dans nos écrans, l'ytterbium quant à lui est un métal émettant dans le proche IR, domaine très prometteur pour l'imagerie.
L'imagerie rédox requiert un changement d'état d'oxydation de l'agent. Or la grande majorité des lanthanides ne peuvent exister que sous un seul état d'oxydation en conditions physiologiques. Ils ne peuvent donc, en principe, pas être utilisés pour l'imagerie rédox. Notre approche consiste à associer au métal un ligand rédox-actif. L'hypothèse de travail est basée sur le fait qu'un changement d'état d'oxydation du ligand, résultant d'une interaction avec le milieu, va induire une modification de ses propriétés complexantes, des modifications de ses niveaux électroniques et un changement de magnétisme. De tels changement vont altérer profondément les propriétés des cations lanthanides, en particulier leur luminescence et la relaxation des molécules d'eau coordinées au centre métallique s'il y en a. En d'autres termes le complexes pourra répondre à un stimulus rédox par un signal détectable avec les équipements actuels. Dans ce projet nous préparerons des séries de ligands polydentes comportant des sous-unités polydentate pro-phenoxyl, pro-iminosemiquinonate et nitroxide et utiliserons des métaux tels que le TbIII, EuIII pour la luminescence dans le visible, NdIII et YbIII pour la luminescence dans le proche IR et gadolinium pour la conception d'agents de contraste.

Nous avons préparé plusieurs séries de complexes à partir de la charpente macrocyclique DOTA. Celle-ci est en effet très proche du DOTAREM, agent de contraste utilisé cliniquement. Nous avons optimisé les synthèses des précurseurs rédox-actifs basés sur des unités nitroxydes et incorporé des unités destinées à sensibiliser le lanthanide. Les complexes de lanathnide (Gd, Yb, Eu) ont été préparés et caractérisés entièrement. Nous avons montré que l'unité sensibilisatrice fonctionnait et jouait bien son rôle d'antenne. pour exalter la luminescence du lanthanide. De plus nous avons montré par électrochimie que la gamme de travail de potentiels était adéquate pour les applications visées. Nous avons alors mesuré la réponse de la sonde à un changement de degré d'oxydation. La formation d'un radical s'accompagne d'une extinction de luminescence dont l'ampleur dépend de la nature de la sonde: 15 jusqu'à 95 % et ce à la fois pour les émetteurs visibles et proche infrarouge. Nous avons également montré que la relaxivité était fortement impactée, à raison de 40 %.
Enfin, nous avons établi une réactivité remarquable de certains complexes d'hydroxylamine/nitrone envers les ROS (espèces réactives de l'oxygène) et conçu une sonde bimodale (RPE/luminescence) inédite pour détecter le radical hydroxyl.

Nous envisageons maintenant d'étudier en détail les propriétés physicochimiques des composés sous divers états d'oxydation. Cette étude fondamentale est indispensable pour rationaliser les comportements et concevoir des générations de sonde toujours plus efficaces. Nous allons également tester d'autres fonctions rédox actives et en parallèle nous allons fonctionnaliser les ligands afin d'orienter les sondes vers des cibles biologiques (cellules, vectorisation). Le couplage avec des peptides spécifiques est la solution que nous avons retenu. Toutes ces perspectives seront valorisées par des études biologiques et de l'imagerie.

1. J. K. Molloy, C. Philouze, L. Fedele, D. Imbert, O. Jarjayes and F. Thomas, «Seven-coordinate lanthanide complexes with a tripodal redox active ligand: structural, electrochemical and spectroscopic investigations« Dalton Trans., 2018, 47, 10742-10751 [on invitation, special issue “Europe: New Talents 2018”]
2. J. K. Molloy, L. Fedele, O. Jarjayes, C. Philouze, D. Imbert and F. Thomas, «Structural and spectroscopic investigations of redox active seven coordinate luminescent lanthanide complexes« Inorg. Chim. Acta, 2018, 483, 609-617

Ce projet est basé sur la conception de complexes de lanthanide(III) comportant des ligands redox-actifs pour mesurer des statuts redox. L’application majeure de ces systèmes sera l’imagerie non-invasive pré-clinique et clinique. Notre hypothèse de travail est qu’un changement de degré rédox du ligand affectera à la fois la luminescence centrée sur le métal et les temps de relaxation (molécules d’eau dans la sphère de coordination) pour l’imagerie par résonance magnétique. Le ligand sera donc la sonde rédox et le métal le rapporteur. Des ligands polydentes comportant des unités pro-phenoxyl, pro-iminosemiquinone et nitronyl nitroxydes seront préparés et chélatés à une série de cations lanthanides : TbIII, EuIII pour une détection par luminescence dans la région du visible, NdIII et YbIII pour une luminescence dans le proche infrarouge et GdIII pour des applications en tant qu’agent de contraste IRM. Les constates de stabilité des complexes seront déterminées et nous allons conduire des caractérisations structurales. Avec pour objectif d’améliorer la solubilité et l’adressage nous allons fonctionnaliser les ligands par des séquences peptidiques (CPP et motifs de reconnaissance par des intégrines). Les potentiels de travail des sondes seront mesurés par des techniques électrochimiques (voltammétrie cyclique et électrolyse). Les complexes seront préparés sous divers états d’oxydation (radicalaires ou non) par voie électrochimique et chimique (in vitro avec des agents biologiques) et caractérisés par luminescence et techniques relaxométriques. Après avoir établi qu’il était possible d’accéder à l’état d’oxydation du complexe par luminescence et relaxivité des études biologiques seront entreprises. Elles incluent des essais MTT qui nous permettrons de nous assurer que les sondes ne sont pas toxiques. Des mesures in cellulo de fluorescence 2D/3D et résonance magnétique seront réalisées sur des milieux cellulaires sous différents statuts rédox (stress oxydant ou hypoxie) afin de déterminer la sensibilité de notre système. Enfin, nous allons évaluer l’interaction magnétique entre le cation lanthanide et les radicaux pour proposer un schéma de couplage et ainsi avoir des informations clé sur les mécanismes responsables des changements de propriété des sondes.

Coordinateur du projet

Monsieur Fabrice THOMAS (Département de Chimie Moléculaire)

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

LMI Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces
DCM Département de Chimie Moléculaire
SYMMES Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Energie et la Santé
IAB INSTITUT ALBERT BONNIOT - Ontogenèse et Oncogenèse Moléculaire

Aide de l'ANR 381 541 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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