Elaboration of fluorescent molecular probes and molecular-based nanoparticles for bioimaging purposes

par Cristiano Matteo Mastrodonato

Thèse de doctorat en Chimie organique

Sous la direction de Mireille Blanchard-Desce.

Soutenue le 31-08-2017

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des Sciences chimiques (Talence ; Gironde) , en partenariat avec Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Vaultier.

Le jury était composé de Mireille Blanchard-Desce, Michel Vaultier, Gilles Lemercier, Isabelle Sasaki.

Les rapporteurs étaient Gilles Lemercier, Isabelle Sasaki.

  • Titre traduit

    Elaboration de sondes moléculaires fluorescentes et de nanoparticules organiques fluorescentes pour l’imagerie du vivant


  • Résumé

    Les techniques de fluorescence sont des outils de choix pour l’étude et la compréhension fine des processus biologiques. Ceci requiert toutefois l’utilisation de sondes fluorescentes parfaitement adaptées au but visé et répondant aux différentes exigences requises pour l’application visée. Dans ce cadre, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’élaboration de sondes biphotoniques de pH adaptées à une mesure très sensible de faibles variations de pH autour du pH neutre. Les variations et gradients de pH sont en effet impliqués dans un certain nombre de processus biologiques importants et peuvent être associées à des dysfonctionnements liés à certaines maladies. Dans ce cadre, nous avons développé de nouvelles sondes fluorescentes de pH fluorescentes présentant à la fois un comportement ratiométrique, une forte sensibilité autour du pH neutre et facilement excitables dans le proche IR par absorption à deux photons. Ces sondes de structure quadrupolaire et bolamamphiphile permettent ainsi la détection ratiométrique du pH dans des environnements biologiques au moyen d'une excitation biphotonique dans le proche IR. En parallèle, nous nous sommes intéressés à l’élaboration de nanoparticules hyperbrillantes dédiées à l’imagerie biologique par microscopie de fluorescence induite par excitation à deux photons. Nous nous sommes plus particulièrement attachées au design de nanoparticules organiques fluorescentes constituées de molécules organiques de bas poids moléculaire (FONs). Cette approche offre en effet une grande flexibilité et la possibilité d’accéder à des nanosondes ayant des brillances comparables aux très populaires quantum dots mais moins toxiques et plus facilement dégradables. L’ingénierie moléculaire des fluorophores utilisés pour la préparation des FON est cruciale puisqu’elle influence fortement à la fois les propriétés photophysiques (brillance, couleur…) et leur propriétés physico-chimiques (stabilité chimique et structurale, stabilité colloïdale). Dans ce contexte, une librairie de nouveaux chromophores dipolaires a été synthétisée et utilisées pour la préparation de FON par la méthode de nano-précipitation. Leurs propriétés ont été étudiées afin de déterminer la relation entre la structure du chromophore et les propriétés globales des nanoparticules constituées de ces colorants. Ce travail a permis d’identifier les paramètres structuraux permettant d’accéder à des nanoparticules présentant à la fois une brillance exceptionnelle, une émission modulable du vert au rouge et proche IR et une remarquable stabilité colloïdale. Ces nanoparticules présentent des potentialités majeures pour l’imagerie in vivo par excitation et détection dans le proche IR.


  • Résumé

    Fluorescence-based techniques are popular tools for the study and understanding of biological processes. This has prompted continuous research aimed at the development of a wide range of fluorescent probes specifically designed for specific applications. Among them, fluorescent pH probes are of much interest as pH variations or gradients are involved in many biological events and anomalous alterations are often related to the onset of dysfunctions and diseases. In this framework we have developed a series of promising two-photon pH fluorescent molecular probes. These quadrupolar bolaamphiphilic probes are of great interest, as they combine a steep pH dependence of their optical properties close to neutral pH, ratiometric behavior and large response to two-photon (2P) excitation in the NIR region. As such they offer much promise for ratiometric detection of the pH in biological environments and in situ monitoring of acidification. In parallel, we have been interest in the design of ultrabright nanoparticles for bioimaging purpose (in particular highly sensitive optical imaging). We chose to focus on Fluorescent Organic Nanoparticles made of organic molecules with low molecular weight (FONs) as they offer a flexible route and promising alternatives to toxic quantum dots. In this case the design of the dye used as building blocks of the FONs is of crucial importance and strongly influence the chemical and physical properties of the nanoparticles generated, such as their one and two-photon brightness and both their structural and colloidal stability. In that context a library of novel dipolar chromophores have been synthesized and used to prepare FONs using the nanoprecipitation method. Their properties were thoroughly investigated in order to determine the relationship between the molecular design of the isolated dye and the overall properties of the nanoparticles made of these dyes. As a result, Hyperbright FONs emitting in the green to NIR region and combining giant brightness and remarkable stability have been achieved. They offer major promise for bioimaging based on both excitation and detection in the NIR region.


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