Synthèse de dendrimères formant des agrégats fluorescents dans l'eau sous l'influence d'un laser

Synthesis of dendrimers forming fluorescent aggregates in water under influence of a laser

• Auteur / Autrice : Artem Zibarov
• Direction : Anne-Marie Caminade, Aurélien Hameau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Macromoléculaire et Supramoléculaire
• Date : Soutenance le 13/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Mézailles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Caminade, Muriel Golzio, Armelle Ouali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ling Peng, Jean-François Nierengarten

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Absorption à deux photons

Dendrimères

Mots clés libres

Dendrimères

Fluorescence

Absorption à deux photons

Bio-imagerie

Phosphore

Dendrimers

Fluorescence

Two-photon absorption

Bioimaging

Phosphorus

Résumé

Il y a toujours un besoin de nouveaux outils fluorescents hydrosolubles en biologie pour les applications différentes. Ces dernières années, les fluorophores à l'Absorption de Deux-Photon (ADP) ont obtenu une grande popularité dans la communauté biologique en raison du fait que ce type de fluorophores offre une sélectivité spatiale améliorée en trois dimensions et permet de faire l'excitation à une fréquence de la moitié de l'écart énergétique réel, donc à des longueurs d'onde plus longues (typiquement 700-1300 nm), mais la fluorescence se produit généralement à la même longueur d'onde que lorsque la molécule a été excitée avec un photon. Grace à cela, il est possible d'augmenter la profondeur de pénétration et de diminuer les photo-dommages aux tissus en même temps. Les fluorophores à l'ADP les plus largement utilisés sont les boites quantiques (quantum dots (QD) en anglais) (nanocristaux inorganiques) mais ils ont soulevé un certain nombre de questions liées à la toxicité, à la biocompatibilité et aux problèmes environnementaux. De plus, les fluorophores organiques à l'ADP ne peuvent pas être aussi brillants que les QD et leur fluorescence pourrait être désactivée par l'eau. Des dendrimères hydrosolubles fluorescents contenant plusieurs chromophores TPE peuvent aider à résoudre les deux problèmes. Les dendrimères sont des macromolécules à structure arborescente et malgré le fait que les dendrimères, comme les polymères, sont constitués de dizaines, centaines voire milliers d'unités, ils ont une structure strictement définie car ils sont synthétisés étape par étape. Les dendrimères sont ainsi constitués d'un cœur sur lequel des branches avec des points de divergence et des fonctions de surface sont attachées. Les propriétés fluorescentes des fluorophores, attachés aux branches du dendrimère, pourraient être protégées grâce à un effet protecteur de la structure dendritique, révélé par des études photophysiques. De plus, lorsque plusieurs fluorophores sont attachés à des branches de dendrimère, le problème de faible brillance d'une molécule individuelle peut être résolu. La solubilité dans l'eau peut être initialisée en ajoutant à la molécule de dendrimère des groupes hydrophiles neutres tels que des dérivés de polyéthylène glycol (PEG). Les dendrimères fluorescents hydrosolubles avec des fluorophores à l'ADP, qui ont été développés, présentent des performances à l'ADP comparables aux boites quantiques inorganiques les plus efficaces. Par ailleurs, il a été découvert que certains dendrimères phosphorés à l'ADP sont capables de former des agrégats fluorescents dans l'eau, sélectivement et spécifiquement sous l'effet d'un faisceau laser. Il s'agit d'un phénomène physico-chimique inconnu, que nous explorons avec un financement acquis auprès de l'ANR (ANR2017 SLOW2), et qui pourrait conduire à terme à de nouvelles technologies inédites pour le marquage et le ciblage d'une seule cellule parmi des centaines, et au niveau translationnel pour la construction guidée des tissus (bioprinting).

There is always a need for new water soluble fluorescent tools in biology for different applications. In recent years, Two-Photon Absorption fluorophores (TPA) have achieved great popularity in the biological community due to the fact that this type of fluorophores offers improved three-dimensional spatial selectivity and allows for excitation at a frequency of half the actual energy difference, so at longer wavelengths (typically 700-1300 nm), but fluorescence usually occurs at the same wavelength as when the molecule was excited with a photon. Thanks to this, it is possible to increase the penetration depth and decrease the photo-damage to the tissues at the same time. The most widely used TPA fluorophores are quantum dots (QD) (inorganic nanocrystals) but they have raised a number of questions related to toxicity, biocompatibility and environmental concerns. In addition, organic TPA fluorophores cannot be as bright as QDs and their fluorescence could be quenched by water. Fluorescent water-soluble dendrimers containing multiple TPA chromophores can help solve both problems. Dendrimers are macromolecules with a tree structure and despite the fact that dendrimers, like polymers, consist of tens, hundreds or even thousands of units, they have a strictly defined structure because they are synthesized step by step. Dendrimers thus consist of a core on which branches with points of divergence and surface functions are attached. The fluorescent properties of the fluorophores, attached to the branches of the dendrimer, could be protected thanks to a protective effect of the dendritic structure, revealed by photophysical studies. In addition, when several fluorophores are attached to dendrimer branches, the problem of low gloss of an individual molecule can be solved. Solubility in water can be initiated by adding neutral hydrophilic groups such as polyethylene glycol (PEG) derivatives to the dendrimer molecule. The water-soluble fluorescent dendrimers with TPA fluorophores, which have been developed, show performance at TPA comparable to the most efficient inorganic quantum dots. Furthermore, it has been discovered that certain TPA phosphorus dendrimers are capable of forming fluorescent aggregates in water, selectively and specifically under the effect of a laser beam. This is an unknown physicochemical phenomenon, which we are exploring with funding acquired from the ANR (ANR2017 SLOW2), and which could eventually lead to new, unprecedented technologies for the marking and targeting of a single cell among hundreds, and at the translational level for guided tissue construction (bioprinting).