Luminescent lanthanide metal-organic frameworks and dendrimer complexes for optical biological imaging

par Alexandra Foucault-Collet (Foucault)

Thèse de doctorat en Biologie. Biochimie

Sous la direction de Stéphane Petoud.

Le président du jury était Richard Daniellou.

Le jury était composé de Stéphane Petoud, Richard Daniellou, Ludovic Jullien, Christopher Orvig, Christian Amatore, Nathaniel Rosi.

Les rapporteurs étaient Ludovic Jullien, Christopher Orvig.


  • Résumé

    Les composés à base de lanthanides luminescents possèdent des propriétés uniques offrant de nombreux avantages pour l’étude de problèmes biologiques et pour le diagnostic. Ils résistent notamment à la photodécomposition, possèdent des temps de vie de luminescence longs ainsi que des bandes d’émissions étroites qui ne se recouvrent pas. De plus, certains lanthanides émettent dans le proche infrarouge, ce qui les rend particulièrement intéressants pour des applications d'’imagerie in vivo. De part l’interdiction des transitions f → f, les cations lanthanides ont des coefficients d’extinction très faibles. C’est la raison pour laquelle, il est nécessaire d’utiliser un ou plusieurs sensibilisateur(s) (comme un chromophore organique) pour exciter le lanthanide par « effet antenne ». Nous proposons ici de nouveaux composés émettant dans le proche infrarouge dont la structure permet d’incorporer une densité importante de lanthanides et de sensibilisateurs par unite de volume : i) les nano-MOF Yb-PVDC-3 constitués de chromophores dérivés de dicarboxylates de phenylènevinylène qui sensibilisent les cations Yb3+ du réseau. ii) les complexes formés avec des ligands dendrimères dérivés de polyamidoamine de génération 3 capables de sensibiliser 8 lanthanides (Eu3+, Yb3+, Nd3+) par le biais de 32 antennes dérivées du groupe 1,8-naphthalimide. La caractérisation physique, photophysique et la biocompatibilité de ces composés ont été réalisées. Ils ont montré une bonne stabilité dans différents environnements. Leur faible cytotoxicité a permis d’obtenir des images de microscopie proche infrarouge sur cellules vivantes. La preuve de principe que les nano-MOFs et les dendrimères complexant des lanthanides peuvent être utilisés comme rapporteurs luminescents in cellulo et in vivo a été ici établie. Les résultats obtenus valident la stratégie d’utiliser ce type de matériel pour augmenter le nombre de photons émis par unité de volume afin d’obtenir une meilleure sensibilité de détection.

  • Titre traduit

    Réseaux metallo-organiques et complexes de dendrimères luminescents à base de lanthanides pour imagerie optique


  • Résumé

    Unique properties of luminescent lanthanides reporters explain their emergence for bioanalytical and optical imaging applications. Lanthanide ions possess long emission lifetimes, a good resistance to photodecomposition and sharp emission bands that do not overlap. In addition, several lanthanides emit in the near infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum making them very interesting for in vivo imaging. Free lanthanide cations have low extinction coefficients due to the forbidden nature of the f → f transition. Therefore, lanthanides must be sensitized using a photonic converter such as an organic chromophore through the “antenna effect". We report here new near-infrared emitting compounds whose structure allows to incorporate a high density of lanthanide cations and sensitizers per unit volume: i) nano-MOF Yb-PVDC-3 based on Yb3+ sensitized by phenylenevinylene dicarboxylates. ii) polymetallic dendrimer complexes formed with derivatives of new generation-3 polyamidoamine dendrimers. In these complexes, 8 lanthanide ions (Eu3+, Yb3+, Nd3+) can be sensitized by the 32 antenna derived from 1,8-naphthalimide. These two families of compounds were fully characterised for their physical, photophysical properties as well as for their biological respective compatibilities. They are stable in various media and their low cytotoxicity and emission of a sufficient number of photons are suitable for near-infrared live cell imaging. One of the main goal outcomes of this work is the establishment of the proof of principle that nano- MOFs and lanthanide derived dendrimers can be used for the sensitization of NIR emitting lanthanides to create a new generation of NIR optical imaging agents suitable for both in cellulo and in vivoapplications.The present work also validates the efficiency of the strategy to use both types of nanoscale systems described here to increase the number of emitted photons per unit volume for an improved detection sensitivity and to compensate for low quantum yields.


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