Etude à pH physiologique, des mécanismes de transmétallation de complexes linéaires et macrocycliques de gadolinium utilisés en IRM.

par Vijetha Mogilireddy

Thèse de doctorat en Sciences - STS

Sous la direction de Françoise Chuburu.

Soutenue le 16-12-2013

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) , en partenariat avec (ICMR) Institut de Chimie Moléculaire de Reims (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Dupont.

Le jury était composé de Stephane Roux, Francoise Chuburu, Isabelle Dechamps.

Les rapporteurs étaient Stephen James Archibald, Luce Vander elst.


  • Résumé

    L'objectif de ce travail est l'analyse de la stabilité thermodynamique et de l'inertie chimique de complexes métalliques avec des ligands ou des nanoparticules conçus pour des applications en IRM. Deux types de ligands polyaminocarboxylates ont été étudiés, ligands pour lesquels les unités complexantes sont soit linéaires soit macrocycliques.Les ligands macrocycliques étudiés sont des ligands basés sur des squelettes DO3A, substitués par des entités benzimidazole (L1H4) ou p-nitrophenylbenzimidazole (L2H3). Les données thermodynamiques indiquent que les affinités de ces ligands vis-à-vis des ions de la première série de transition (Cu(II) et Zn(II)) ou vis-à-vis des lanthanides (Gd(III) et Eu(III)) sont plus élevées que celles des complexes correspondants avec le ligand DO3A. Ce renforcement d'affinité est corrélé avec la participation des groupements benzimidazole à la sphère de coordination de chacun des métaux. L'inertie chimique du complexe Gd(III)- L1H4 a ensuite été évaluée par relaxométrie en tampon phosphate, en présence d'une quantité équimolaire de Zn(II). Dans cette expérience, le Zn(II) joue le rôle d'un compétiteur du Gd(III) c'est-à-dire qu'il peut si le complexe Gd(III)-L1H4 n'est pas inerte chimiquement, induire une libération de l'ion gadolinium. Pour Gd(III)-L1H4, aucune réaction de ce type n'a été détectée, ce qui plaide en faveur de l'inertie chimique de ce complexe.Les ligands linéaires étudiés sont des dérivés dithiolés de ligands DTPA bisamide L@1H5. Ces ligands ont été conçus pour être greffés sur des nanoparticules d'or. La stabilité thermodynamique des complexes de Cu(II), Zn(II) et Gd(III) utilisant les ligands L@1H5 et L@1H5 greffé sur nanoparticule d'or (autrement appelé L@2H3) suit l'ordre de stabilité croissant Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Par ailleurs, les résultats montrent que le complexe Gd(III)-L@1H5 est moins stable d'au moins deux ordres de grandeur que le complexe Gd(III)-L@2H3. Ceci suggère qu'une fois greffé sur la nanoparticule, le complexe de gadolinium correspondant gagne en stabilité. Par ailleurs, des études comparatives d'inertie chimique montre que le complexe Gd(III)-L@1H5 greffé sur la nanoparticule a une inertie chimique comparable à celle de l'agent de contraste commercial Gd-DTPA. En revanche lorsque ce complexe est seul, sa vitesse de démétallation est rapide. Le greffage du ligand L@1H5 à la surface de la nanoparticule est donc au bénéfice de la stabilité et de l'inertie chimique de son complexe de Gd(III). Ce gain de stabilité peut être attribué à l''effet de ballast' de la nanoparticule qui rigidifie la structure du complexe et limite sa démétallation.

  • Titre traduit

    Study of transmetallation mechanisms of macrocyclic and linear gadolinium complexes at physiological pH for MRI.


  • Résumé

    The aim of this work is to analyse the stability of metal complexes with ligands or nanoparticles of interest in MRI and to study their transmetallation mechanisms in the presence of endogenous cations near physiological pH. Two types of polyaminocarboxylate ligands were studied for which the binding unit was either linear or macrocyclic.Macrocyclic ligands are constituted of a DO3A backbone functionalized with a benzimidazole (L1H4) or a p-nitrophenylbenzimidazole unit (L2H3). Thermodynamic data indicated that the affinities of these ligands towards first row transition metal ions (Cu(II) and Zn(II) or lanthanide ions (Gd(III) and Eu(III)) are increased compared to the corresponding ones with DO3A. This enhancement is correlated to the involvement of the benzimidazole moiety to each metal coordination sphere. For gadolinium complex Gd(III)- L1H4, its kinetic inertness was evaluated in phosphate buffer by relaxometry, in the presence of equimolar quantities of Zn(II) as a competitor. In these conditions, if the complex is not chemically inert, it would be subjected to a transmetallation reaction, that is to say that at least, gadolinium would be released. For Gd(III)-L1H4, no such reaction was detected which is in favour of kinetic inertness of Gd(III)- L1H4.Linear ligand, dithiolated DTPA bisamide L@1H5 was designed with an aim of grafting it onto gold nanoparticles. L@1H5 and the ligand grafted into gold nanoparticle,namely L@2H3, were analysed for their thermodynamic stability towards mainly Cu(II), Zn(II) and Gd(III). Whatever the system, L@1H5 or L@2H3, the general trend of increasing complex stability was Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Furthermore, Gd(III)-L@1H5 complex was less stable than Gd(III)-L@2H3, this latter being 2 orders of magnitude more stable at physiological pH. This suggested that the gadolinium complex stability is enhanced when the ligand is grafted onto the nanoparticle. Moreover, comparative kinetic inertness studies showed that the gadolinium complex Gd(III)-L@1H5 is not chemically inert and demetallates rapidly while the gadolinium complex grafted onto the nanoparticle exhibit almost equal kinetic inertness as Gd-DTPA (Magnevist). The bulky nanoparticle probably rigidifies the structure of the complex and prevents Gd(III)-L@2H3 from an extensive demetallation, which was a good point for the possible use of these nanoparticles in living organisms for imaging applications.


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