Novel perspectives in near-infrared optical imaging with lanthanide based molecules, macromolecules and nanomaterials

par Ivana Martinić

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, Clotilde Policar, David Needham, Hechmi Toumi, Peggy L. Carver, Svetlana V. Eliseeva, Vincent L. Pecoraro.

Les rapporteurs étaient Clotilde Policar, David Needham.

  • Titre traduit

    Nouvelles perspectives en imagerie optique proche-infrarouge avec des molécules, macromolécules et nanomatériaux incorporant des cations lanthanides


  • Résumé

    Le domaine du proche infrarouge a une importance majeure pour l'imagerie optique en raison de la faible autofluorescence des systèmes biologiques et de la diffusion limitée de la lumière permettant l’amélioration du rapport signal-sur-bruit et une pénétration plus profonde dans les tissus. Les sondes fluorescentes proche-infrarouges les plus couramment utilisées à ce jour sont les fluorophores organiques ou les nanocristaux semi-conducteurs qui sont affectés par un certain nombre d’inconvénients. Plusieurs cations lanthanide possèdent des propriétés optiques uniques comme des bandes d'émissions étroites dont les longueurs d'ondes sont très peu sensibles à l’environnement, de grandes différences d’énergie entre longueurs d’onde d’excitation et d'émission et une forte résistance au photoblanchiment. Afin de bénéficier de la luminescence des lanthanides, les faibles absorbances des cations lanthanides libres doivent être compensées par l'utilisation de groupes chromophores appropriés fonctionnant comme sensibilisateurs. On parle d’effet d’"antenne". Nous présentons dans ce travail plusieurs familles de sondes à base de lanthanides (i) de petites molécules, plus spécifiquement des complexes monométalliques constitués par la coordination de Ln³⁺ par un ligand de type TTHA-anthraquinone et des métallacrowns polymétalliques Ln³⁺/Zn²⁺ auto-assemblés; (ii) de nouveaux nanomatériaux basés sur des billes de polystyrène possédant deux types de chargements différents, à savoir (i) un complexe bimétallique d-f Cr³⁺-Ln³⁺ ainsi que (ii) des antennes dérivées d’hydroxyanthraquinone et des cations lanthanide libres; (iii) des macromolécules de type dendrimère polyamidoamine de génération 3 fonctionnalisés avec sensibilisateurs aza-BODIPY en leurs périphéries et qui encapsulent des lanthanide luminescents. Les propriétés photophysiques, la cytotoxicité et l'incorporation cellulaire ont été décrites et discutées pour chacun des types de sondes. En outre, ces sondes ont été testées en imagerie in vitro visible et/ou proche-infrarouge par des expériences de microscopie confocale et d’épifluorescence. L’ensemble des sondes décrites dans ce travail, en raison de leurs propriétés avantageuses et nouvelles, constituent des avancées majeures pour le développement de nouvelles générations d'agents d'imagerie optique.


  • Résumé

    The near-infrared (NIR) region has a significant importance for optical imaging due to the minimal autofluorescence and reduced light scattering thus allowing for improved signal-to-noise ratio and deeper penetration through tissues. Nowadays, the most commonly used NIR-emitting fluorescent probes rely mainly on organic fluorophores or quantum dots and exhibit drawbacks. Several lanthanide(III) ions (Ln³⁺) possess unique optical properties e.g. sharp emission bands the wavelengths of which have minimal sensitivity to the microenvironment, large differences between excitation and emission wavelengths and strong resistance toward photobleaching. In order to obtain the luminescence of lanthanides, the low absorbances of the free Ln³⁺ have to be overcome by the use of appropriate chromophoric groups functioning as a sensitizing “antenna”. We present here several families of Ln³⁺-based probes: (i) small molecules, in particular monometallic complexes constituted by the TTHA-anthraquinone moiety and Ln³⁺, and polymetallic self-assembled Ln³⁺/Zn²⁺ metallacrowns; (ii) novel nanomaterials based on polystyrene beads with two different loadings, i.e. d-f bimetallic Cr³⁺- Ln³⁺+ complex and hydroxyanthraquinone antennae and Ln³⁺ ; (iii) macromolecular generation-3 polyamidoamine dendrimers functionalized with aza-BODIPY sensitizers at their periphery and encapsulating the luminescent Ln³⁺. The photophysical properties, cytotoxicity and cellular uptake were reported and discussed for each of the presented types of Ln³⁺-based probes. Moreover, these probes were successfully tested for visible and/or NIR in vitro imaging by confocal or epifluorescence microscopy experiments. Finally, the reported Ln³⁺-based probes, due to the number of advantageous properties, represent significant breakthroughs toward the developments of new generations of optical imaging agents.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 31-12-2020

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