Luminescence de complexes de lanthanide par effet d'antenne à deux photons : vers l'imagerie fonctionnelle

par Ngoc Anh Thy Bui

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Olivier Maury.

Soutenue le 20-09-2016

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Chimie (UMR 5182) (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Andrioletti.

Le jury était composé de Olivier Maury, Bruno Andrioletti, Loïc Charbonnière, Ludovic Jullien, Chantal Andraud.

Les rapporteurs étaient Loïc Charbonnière, Ludovic Jullien.


  • Résumé

    Les ions lanthanides possèdent des propriétés photophysiques particulières, qui ont suscité une forte attention dans le développement de sondes biologiques luminescentes. En effet, les avantages que présentent leurs émissions en raies fines et caractéristiques, ainsi que leurs temps de vie de luminescence longs, permettent diverses applications en imagerie. Cependant, le faible coefficient d’absorption molaire de ces éléments conduit à préférer une excitation par le biais d’une antenne capable de transférer l’énergie au métal.Par ailleurs, l’utilisation de l’absorption biphotonique a montré de nombreux avantages, puisqu’elle permet une excitation de la molécule à une longueur d’onde deux fois plus grande que l’excitation à un photon : cette longueur d’onde peut alors se situer dans la fenêtre de transparence biologique (650 - 1100 nm).Les travaux de cette thèse visent à combiner les avantages des lanthanides avec ceux de l’excitation biphotonique. Les complexes synthétisés sont basés sur une plateforme triazacyclononane substituée par des antennes à deux-photons. Leurs propriétés spectroscopiques à un photon ont été étudiées, et ont alors permis de réaliser des images cellulaires en multiplexing à deux photons utilisant Eu3+ et Tb3+. Des sondes biphotoniques de brillance optimisée ont également été obtenues pour Sm3+, Tb3+ et Dy3+, et appliquées à l'imagerie. L’étude approfondie d’un des complexes de terbium(III) a de plus mis en évidence sa sensibilité à la viscosité. L’analyse des propriétés spectroscopiques de cette sonde a permis d'en rationaliser le comportement photophysique, ouvrant ainsi la voie à des applications originales en imagerie fonctionnelle. Enfin, nous avons montré une internalisation rapide de complexes de lanthanide cationiques de type cyclen ou cyclam par des cellules vivantes, et l'étude de ces nouvelles structures offre de nouvelles perspectives dans le développement de bio-sondes de lanthanides.

  • Titre traduit

    Luminescence of lanthanide complexes sensitized by two-photon antenna effect : towards functional imaging


  • Résumé

    Lanthanide ions demonstrate peculiar photophysical properties that has attracted a substantial attention in the development of luminescent bioprobes. Indeed, the advantages stemming from their sharp and characteristic emissions, as well as their long luminescence lifetimes, enable various imaging applications. However, the weak molar extinction coefficient of these elements results in a preferential excitation through an antenna, which transfers its energy to the metal.On the other hand, biphotonic absorption showed numerous advantages, since excitation of a molecule can be achieved at a wavelength twice as high as using one-photon excitation. This wavelength may therefore reach the optical transparency window (650 - 1100 nm).The work carried out during this PhD thesis aims at combining the advantages of lanthanides with those of biphotonic excitation. The synthesized complexes are based on a triazacyclononane platform substituted with two-photon antennae. Their one-photon spectroscopic properties have been studied, and enabled to perform two-photon multiplexed cellular imaging, using Eu3+ and Tb3+. Biphotonic probes with an optimized brightness have been obtained for Sm3+, Tb3+ and Dy3+, and applied to cell imaging. The thorough study of one of the terbium(III) complexes has moreover displayed evidence of a sensitivity towards viscosity. Analyzing the spectroscopic properties of this probe has therefore allowed to rationalize its photophysical behavior, paving the way for original functional imaging applications. Lastly, a rapid internalization of cationic lanthanide complexes with a cyclen or cyclam framework by living cells has been proved. Thus, the study of these new structures presents new perspectives for the development of lanthanide bioprobes.

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