CE18 - Innovation biomédicale

Développement de plateformes aza-BODIPY pour la construction d’agents multimodaux et de sondes thérapeutiques traçables – WazaBY

Développement de plateformes aza-BODIPYs hydrosolubles (WAZABY) pour l'imagerie multimodale et la théranostique

Développement d'une nouvelle classe de fluorophores hydrosolubles, optimisés pour l'imagerie proche infrarouge (NIR). <br />Fonctionnalisation par le Bore des fluorophores aza-BODIPY, dans le but de développer des nouvelles sondes bimodales et théranostiques. <br />Valorisation des systèmes par une étude préclinique visant l'imagerie bimodale et l'approche théranostique des cancers surexprimant le PD-L1.

Développement de NIR fluorophores optimisés pour l'imagerie optique, et fonctionnalisables afin de pouvoir constuire, à partir de ces fluorophores, des sondes bimodales et théranostiques

Parmi les différentes techniques en imagerie médicale, l'imagerie moléculaire représente un outil puissant, permettant de détecter des changements physiologiques très fins au niveau cellulaire et moléculaire. En particulier, l’imagerie optique joue un rôle très important. C’est en effet la méthode de choix pour réaliser des études in vitro et ex vivo, et de plus en plus in vivo sur petit animal. Elle est également très utilisée en milieu clinique pour les investigations par endoscopie, ainsi que pour la chirurgie guidée par imagerie de fluorescence. <br />L'intérêt croissant pour l'IO est également dû à deux domaines émergents : l'imagerie bimodale et le développement d’agents thérapeutiques traçables. <br />Dans le but d'effectuer des études in vivo, il est nécessaire d’utiliser des sondes fluorescentes absorbant et émettant dans la «fenêtre thérapeutique« (entre 650 et 900 nm). Cependant, le choix de ces fluorophores est presque toujours limité à l’utilisation des cyanines, qui, malgré des nombreux avantages, souffrent d'une faible efficacité de fluorescence, mais surtout d'une instabilité chimique, et d'un photoblanchiment rapide. Ainsi, actuellement, il n’existe pas de sonde fluorescente émettant dans le proche infrarouge, idéale pour les applications biologiques (hydrosoluble, stable, peu toxique ...), permettant un large éventail de fonctionnalisations, et pouvant être synthétisée à grande échelle. <br />Nous proposons de répondre à cette problématique, et de développer une plateforme fluorescente NIR, à base d’aza-BODIPYs, présentant les propriétés précitées. A partir de cette plateforme, nous concevrons de nouvelles sondes multimodales monomoléculaires (MOMIP) pour la TEP-SPECT/OI, et des agents thérapeutiques traçables.

Dans le but d'obtenir les plateformes WAZABYS, nous avons travaillé sur la fonctionnalisation de l'atome de bore. En effet, cette approche induit un encombrement stérique , ce qui empêche l'aggrégation des sondes. De plus notre stratégie a consisté en la substitution de l'atome de bore par des groupements chargés hydrosolubilisants.
A partir des ces plateformes hydrosolubles, nous avons envisagé de les fonctionnaliser, et ainsi d'introduire: 1)une fonction de bioconjugaison permettant la bioconjugaison et ainsi la formation d'un agent d'imagerie optique ; 2) un agent chélatant et une fonction de bioconjugaison, permettant la formation de sondes bimodales; 3) d'un complexe thérapeutique, pour la formation de théranostiques.
Après la synthèse et le développement des composés cibles, nous avons voulu démontrer la valeur ajoutée de nos systèmes, par une étude pilote en imagerie et thérapie. Dans ce but, nous avons réalisé une étude préclinique ciblant le PD-L1, en utilisant un anticorps anti-PD-L1 marqué par la sonde bimodale comme agent d’imagerie (permettant d’évaluer l’expression du PD-L1 dans les tumeurs ciblées), mais également compagnon de diagnostic, associé au même anticorps marqué par un théranostique, permettant la formation d’une ADC traçable (ADC : antibody drug conjugate, l’anticorps possédant ainsi une une modalité de type immunothérapie propre à l’anticorps anti-PD-L1 et une de type chimiothérapeutique par l’agent thérapeutique rajouté).

Durant cette année et demi, nous avons pu synthétiser différentes plateformes multifonctionnelles WAZABYs. Nous avons pu prouver que ces plateformes étaient stables, hydrosolubles, et émettaient bien dans le proche infrarouge. L’une d’entre elles a été bioconjuguée à un anticorps anti PD-L1, et une étude préclinique réalisée par imagerie optique a pu mettre en avant le potentiel de cette sonde. Nous avons ensuite travaillé sur la fonctionnalisation des sondes WAZABYs. Nous avons tout d’abord introduit un ou deux agent chélatants, qui nous ont permis de développer des sondes bimodales (IRM /optique, ou SPECT optique). Dans ce dernier cas, la sonde bimodale a été bioconjuguée sur l’anticorps Trastuzumab, et une étude complète in vitro et in vivo en imagerie SPECT/optique, a été ensuite réalisée, associée à de la chirurgie assistée par fluorescence. Dans un second temps nous avons commencé à travailler sur la bioconjugaison (aléatoire mais également « site-spécifique ») de la sonde bimodale sur l’anticorps anti-PD-L1. Les premières études in vitro (stabilité du bioconjugué) ont été réalisées.

En parallèle, nous avons introduit sur les sondes WAZABYs différents complexes thérapeutiques à base de phosphine or. Les premières études in vitro réalisées sur ces composés ont pu mettre en avant leur potentiel thérapeutique sur différentes lignées cancéreuses.

Enfin, nous avons découvert que certains composés WAZABYs émettaient dans la deuxième fenêtre proche infrarouge NIR-II (entre 1.000-1.700 nm). Cette gamme optique permet un gain important en sensibilité et possède un réel potentiel en clinique, notamment pour la chirurgie des cancers. Nous avons étudié un de ces composés WAZABYs in vitro et in vivo, et démontré que la sonde permettait d’identifier et de visualiser en NIR-II les petits vaisseaux profonds des tumeurs. De plus, sans vectorisation, le composé fluorescent est capable de s'accumuler fortement dans la tumeur, jusqu’à 7 jours après injection.

De nombreuses perpectives sont envisagées, après ces 18 derniers mois.
Concernant les composés théranostiques, dans les mois à venir, il nous reste maintenant à travailler sur l’optimisation de ces composés théranostiques, en particulier travailler sur leur hydrosolubilisation, mais surtout y introduire une fonction de greffage, pour pouvoir les vectoriser, en particulier sur le PD-L1, afin d’évaluer leur potentiel in vivo. Une étude complète en imagerie et thérapie sera alors réalisée.
Toujours dans une approche théranostique, nous envisageons également, en collaboration avec l’équipe du Dr Sancey à l’Institute for Advance Biosciences, Grenoble, d’introduire sur les aza-BODIPYs des complexes de bore, et en particulier la 10B-BSH, afin de réaliser de la borothérapie par capture de neutrons, sur les tumeurs. La BSH sera introduite, tout comme les complexes organométalliques, sur les atomes de bore des aza-BODIPYs.
Enfin, durant ce projet, nous allons explorer le potentiel des sondes WAZABY-émettant dans le NIR II, en variant les structures sur le cœur aza-BODIPYs, dans le but d’optimiser les propriétés photophysiques de ces fluorophores. Nous allons également construire des sondes bimodales et des théranostiques à partir de cette nouvelle classe de fluorophores.

Publications:
1. Investigation of B-F substitution on BODIPY and aza-BODIPY dyes: Development of B-O and B-C BODIPYs
Bodio, E.*, Goze, C.*, Dyes and Pigments, 2019, 160, 700-710. doi.org/10.1016/j.dyepig.2018.08.062.

2. A Promising Family of Fluorescent Water-Soluble aza-BODIPY Dyes for in Vivo Molecular Imaging; Jacques Pliquett, Adrien Dubois, Cindy Racoeur, Nesrine Mabrouk, Souheila Amor, Robin Lescure, Ali Bettaïeb, Bertrand Collin, Claire Bernhard, Franck Denat, Pierre Simon Bellaye, Catherine Paul, Ewen Bodio*, Christine Goze*, Bioconjugate Chem., 2019, 30 (4), 1061-1066. DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.8b00795.
Couverture du Journal.

3. Aza-BODIPY Platform: Toward an Efficient Water-Soluble Bimodal Imaging Probe for MRI and Near-Infrared Fluorescence; Océane Florès, Jacques Pliquett, Laura Abad Galan, Robin Lescure, Franck Denat, Olivier Maury, Agnès Pallier, Pierre-Simon Bellaye, Bertrand Collin, Sandra Même, Célia S. Bonnet*, Ewen Bodio*, Christine Goze*, Inorg. Chem., 2020, 59 (2), 1306-1314.
DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b03017.

4. BODIPYS and aza-BODIPY derivatives as promising fluorophores for in vivo molecular imaging and theranostic application; Franck Denat, Ewen Bodio, Christine Goze*, J. Porph. Phtalo., 2019, 11(12), 1159-1183.
doi.org/10.1142/S1088424619501268.

5. Water-Soluble Aza-BODIPYs: Biocompatible Organic Dyes for High Contrast In Vivo NIR-II Imaging; Amélie Godard, Ghadir Kalot, Jacques Pliquett, Benoit Busser, Xavier Le Guével, K. David Wegner, Ute Resch-Genger, Yoann Rousselin, Jean-Luc Coll, Franck Denat, Ewen Bodio*, Christine Goze*, Lucie Sancey*, Bioconjugate Chem., 2020, 31 (4), 1088-1092.
DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.0c00175.

Brevêt:

1. Utilisation de composes fluorophores de type aza-BODIPY comme agents de contraste dans l’infrarouge très lointain. Sancey L, Goze C, Bodio E, Busser B, Pliquett J, Godard A, Kalot G, Josserand V, Le Guével X, Coll J-L, Denat F ; EP19315089.3, 2019.

Parmi les différentes approches d'imagerie médicale, l'imagerie moléculaire représente un outil puissant, permettant de détecter des changements physiologiques très fins au niveau cellulaire et moléculaire. Même si elle joue un rôle central en oncologie, l'imagerie moléculaire possède également de nombreuses autres applications, telles que les maladies cardiovasculaires, les infections, les désordres osseux, la maladie d'Alzheimer, les troubles pulmonaires etc... C'est la méthode de choix pour réaliser des études in vitro et ex vivo, et de plus en plus in vivo sur petit animal. Elle est également très utilisée en milieu clinique pour les investigations par endoscopie, ainsi que pour la chirurgie guidée par imagerie de fluorescence, même si malheureusement ses applications sont plus limitées dans ce domaine, à cause de sa faible pénétrabilité dans les tissus.
L'intérêt croissant pour l'IO est également dû à deux domaines émergents : l'imagerie bimodale et le développement d'agents thérapeutiques traçables. Tout d'abord, la combinaison de l'OI avec l'imagerie la TEP ou TEMP, permet de coupler deux techniques complémentaires et de sensibilité comparable, et ainsi bénéficier de la haute résolution de l'OI avec la forte pénétrabilité de la TEP et TEMP. En ce qui concerne les agents thérapeutiques traçables, le greffage d'une sonde fluorescente sur un fragment thérapeutique permet de suivre en temps réel le comportement du composé in vitro et in vivo, permettant ainsi d'obtenir des informations cruciales sur sa biodistribution ainsi que sur son mécanisme d'action.
Dans le but d'effectuer des études in vivo, l'utilisation de la lumière proche infrarouge (NIR) présente plusieurs avantages, tels qu'un faible coefficient d'absorption de la plupart des biomolécules, une diffusion plus faible, une minimisation des signaux d'auto-fluorescence et des risques de perturbation des systèmes biologiques à étudier, et nécessite donc l'utilisation de sondes fluorescentes absorbant et émettant dans la "fenêtre thérapeutique" (entre 650 et 900 nm). Cependant, le choix de ces fluorophores est presque toujours limité à l'utilisation des cyanines, qui, malgré des nombreux avantages, souffrent d'une faible efficacité de fluorescence, mais surtout d'une instabilité chimique, et d'un photoblanchiment rapide. Ainsi, actuellement, il n'existe pas de sonde fluorescente émettant dans le proche infrarouge, idéale pour les applications biologiques (hydrosoluble, stable, peu toxique ...), permettant un large éventail de fonctionnalisations, et pouvant être synthétisées à grande échelle.
Nous proposons de répondre à cette problématique, et de développer une plateforme fluorescente NIR présentant les propriétés précitées. Dans ce but, nous ciblons une famille de fluorophores prometteuse, et beaucoup moins explorée que les cyanines, les aza-BODIPY, car leur synthèse est très accessible, ils absorbent et émettent dans la région NIR, et surtout ils présentent une stabilité chimique et photochimique exceptionnelle. Par conséquent, les composés aza-BODIPY présentent tous les avantages pour les applications biomédicales, à l'exception de leur caractère lipophile élevé et de leur très faible solubilité. C'est pourquoi, nous développerons une stratégie simple pour les solubiliser, et plus particulièrement nous allons élaborer une plateforme aza-BODIPY hydrosoluble, hautement fonctionnalisable, A partir de cette plateforme, nous concevrons de nouvelles sondes multimodales monomoléculaires (MOMIP) pour la TEP-SPECT/OI, et des agents thérapeutiques traçables. Les systèmes les plus prometteurs seront bioconjugués à différents biovecteurs, et dans la dernière partie, nous démontrerons, à travers une étude pilote d'imagerie, le potentiel et la valeur ajoutée de ces nouveaux systèmes.

Coordinateur du projet

Madame Christine Goze (INSTITUT DE CHIMIE MOLECULAIRE DE L'UNIVERSITE DE BOURGOGNE)

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

ICMUB INSTITUT DE CHIMIE MOLECULAIRE DE L'UNIVERSITE DE BOURGOGNE

Aide de l'ANR 249 480 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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