Ce travail de thèse réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne porte dans un premier temps sur la synthèse d’agents chélatants bifonctionnels adaptés à la chélation de radiométaux trivalents, notamment l’indium-111. La plus grande partie de ce travail a ensuite consisté à réaliser le greffage d’un agent chélatant bifonctionnel dérivé du DOTA sur différents anticorps ou fragments d’anticorps monoclonaux : le trastuzumab (anti HER2, traitement de cancers du sein), le cétuximab (anti EGFR, traitement de nombreux cancers, dont le cancer colorectal) et l’abciximab (antiagrégant plaquettaire). Une attention particulière a été apportée à la caractérisation des différents immunoconjugués. La dernière étape de ce travail de thèse porte sur le radiomarquage à l’indium-111 de deux immunoconjugués préparés : le trastuzumab et le cétuximab. Ces étapes de radiomarquage nous ont permis de déterminer la fraction immunoréactive et l’affinité de chaque radiotraceur. Nous avons ainsi pu étudier la biodistribution in vivo de ces radiotraceurs chez la souris par imagerie SPECT-CT. Nous avons également développé une méthode de greffage originale pour le marquage d’un fragment d’anticorps de type Fab, l’abciximab, dans le but de suivre la biodistribution de cet antiagrégant plaquettaire. Enfin, nous avons également validé le concept d’imagerie multimodale à travers le greffage et le radiomarquage d’un agent bimodal pour l’imagerie optique et la SPECT sur des lipopolysaccharides bactériens. Les travaux réalisés nous ont permis d’acquérir un savoir faire en matière de greffage d’anticorps et de radiomarquage. Les résultats obtenus permettent d’envisager le greffage d’autres anticorps ou biomolécules, ainsi que l’utilisation d’autres radionucléides pour l’imagerie PET ou la radioimmunothérapie / This work conducted at the “Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne” carries at first on the synthesis of bifunctional chelating agents suitable for the chelation of trivalent radiometals, including indium-111. The greater part of this work was then dedicated to the grafting of a DOTA derivative bifunctional chelating agent on different antibodies or fragments of monoclonal antibodies: trastuzumab (anti-HER2 treatment of breast cancer), cetuximab (anti EGFR, treatment of many cancers, including colorectal cancer) and abciximab (antiplatelet). Particular attention was paid to the characterization of various immunoconjugates. The critical step of this thesis consisted in the indium-111 radiolabeling of two previously prepared immunoconjugates: trastuzumab and cetuximab. These steps of radiolabelling allowed us to determine the immunoreactive fraction and affinity of each radiotracer. Thus, we were able to study the in vivo biodistribution of the radiotracers in tumour-bearing mice by SPECT-CT. We also developed an original method for the labeling of a Fab antibody fragment in order to monitor the biodistribution of the antiplatelet agent (abciximab). Finally, we also validated the concept of multimodal imaging through grafting and radiolabeling of a bimodal agent for optical and SPECT imaging on bacterial lipopolysaccharide. Thank’s to this work, we gained an expertise in antibodies radiolabeling. The results obtained allow to consider the labeling of antibodies or other biomolecules, and the use of other radionuclides for PET imaging and radioimmunotherapy

L’industrie du nucléaire produit de grandes quantités d’effluents radioactifs de sources diverses nécessitant des traitements spécifiques en fonction de leur composition chimique. Le césium 137 fait partie, avec le strontium 90, des radioéléments majoritairement présents dans ces effluents qui doivent être extraits le plus efficacement possible en produisant un minimum de déchets secondaires. Le traitement en colonne est parmi les procédés les plus adaptés pour ce type d’extraction sur support solide. Son principe repose sur la capacité de sorption du radioélément par des hexacyanoferrates (HCF) de cuivre, des échangeurs ioniques minéraux très sélectifs du césium. Des investigations sur les HCF ont permis de mettre en avant les modifications structurales intervenant lors de l’échange avec le césium, à l’origine de leur forte affinité pour cet ion. La fonctionnalisation des HCF sur des monolithes de silice à porosité hiérarchique a mis à profit les propriétés remarquables de ces supports pour une utilisation en colonne. Les cinétiques de sorption évaluées jusqu’aux concentrations traces ont montré une capture rapide du césium qui justifie l’intérêt de ce matériau pour un emploi en colonne. Par ailleurs, la compétitivité des monolithes fonctionnalisés par rapport à des lits particulaires a été démontrée. Ces matériaux ont enfin été mis en œuvre pour la décontamination simultanée du césium et du strontium par des mécanismes couplés d’échange d’ions et de coprécipitation du sulfate de baryum, rendue possible par la grande perméabilité des monolithes. Un modèle simplifié du transport réactif basé sur la morphologie du monolithe a été développé avec le code HYTEC en supposant un écoulement dispersif dans les canaux du squelette et la diffusion dans les parois du squelette et les agrégats de HCF. / The nuclear industry produces high amounts of contaminated water from various sources that require specific treatments depending on their chemical composition. Cesium-137 and strontium-90 are among the most abundant radionuclides in those effluents, which have to be removed as efficiently as possible in order to generate the lowest amount of waste. The column process is one of the most suitable processes to achieve this solid-phase extraction. Its principle is based on the sorption capacity of the radionuclide by copper hexacyanoferrates (HCF), highly cesium-selective mineral ion-exchangers. Investigations on HCF pointed out the structural effects of the cesium insertion within the crystal, which were linked to the high affinity of HCF for this ion. The functionalization of HCF on silica monolith with hierarchical pore structure was carried out in order to benefit the remarkable properties of these supports used as a column. Sorption kinetics evaluated down to trace concentrations have shown a fast capture of the cesium, which proves the interest of this material for a column process purpose. In addition, the performances of functionalized silica monolith have been highlighted in comparison with those made of particulate fixed beds. Finally, those materials were implemented for a simultaneous decontamination of cesium and strontium by a double extraction mechanism of ion exchange and coprecipitation of barium sulfate, allowed by the high permeability of the monolith. A simplified model of reactive transport was built with the HYTEC code, based on the actual morphology of the monolith. To do so, a dispersive flow in the macroporous intraskeletal channels and a diffusive flow inside the walls of the structure and the HCF aggregates were assumed.

Cette thèse s’inscrit dans une volonté d’améliorer la compréhension des mécanismes fondamentaux de radiolyse de biomolécules par des ions accélérés, à l’échelle moléculaire. Ainsi, les ions étudiés ont été de différentes nature (H+, He2+, C6+) et de différentes énergies, correspondant à une gamme de densité de dépôt d’énergie allant de 0,3 à 1000 eV/nm.Dans le vivant, l’eau ayant une place prépondérante, la compréhension de la radiolyse de l’eau est essentielle. L’espèce la plus réactive produite en milieu aéré, le radical hydroxyle (HO•) a été quantifiée en utilisant une sonde spécifique, l’acide 3-coumarine-carboxylique.Les dégâts indirects aux biomolécules, via les espèces issues de la radiolyse de l’eau, ont été étudiés en solution aqueuse diluée sur deux systèmes : un acide aminé, la phénylalanine et une protéine, la myoglobine. Les effets directs de radiolyse ont été étudiés sur la myoglobine en gels concentrés hydratés. Les phénomènes de radiolyse ont été caractérisés pour décrire les mécanismes en jeu et les produits issus de la radiolyse de la phénylalanine ont été systématiquement identifiées et quantifiées. / The goal of this thesis is to achieve a better understanding of fundamental mechanisms of the radiolysis of biomolecules by accelerated ions, at the molecular scale. To do so, different type of ions have been used (H+, He2+, C6+) at various energies, corresponding to densities of energy deposition from 0,3 to 1000 eV/nm.The main component in biological systems is water. Therefore, the comprehension of the water radiolysis under ions irradiation is essential. One of the most reactive species produced in aerated conditions, the hydroxyl radical (HO•), has been quantified using a specific probe, the 3- carboxylic acid coumarin.Indirect effects of radiolysis on biomolecules, involving water radiolysis species, have been studied in dilute aqueous solutions on two different systems: phenylalanine, an amino acid, and a protein, myoglobin. Direct radiolysis effect were studied on concentrated hydrogels of myoglobin ad other proteins. Elucidation of radiolysis mechanisms and quantification of phenylalanine radiolysis products were systematically performed.

Les phénomènes de diffusion se produisant lors du frittage des oxydes mixtes d’uranium et deplutonium (MOX) dépendent du potentiel d’oxygène de l’atmosphère du four, qui détermine lanature et la concentration des défauts ponctuels dans le matériau. Les travaux de thèse ont porté surune meilleure compréhension de l’influence du potentiel d’oxygène sur la densification, la formationde la solution solide et l’interdiffusion U-Pu lors du frittage des combustibles MOX. Pour cela, unlarge domaine de potentiel d’oxygène a été étudié, entre -600 et -100 kJ.mol-1 à 1700°C, afin demettre en évidence les différents mécanismes diffusionnels et leur impact sur la microstructurelorsqu’on s’éloigne de la composition stoechiométrique i.e. lorsque la concentration en défautsaugmente.Les études ont montré que plus le potentiel d’oxygène augmente, plus la densification du mélange70 % UO2+x + 30 % PuO2 s’effectue à basse température. Lors du chauffage, les oxydes de départ(UO2+x et PuO2-x) densifient dans un premier temps puis la solution solide se forme à une températureplus élevée d’environ 200°C. La solution solide apparaît à plus basse température quand le potentield’oxygène augmente, avec une cinétique de formation plus rapide. L’étude de l’interdiffusion U-Puindique qu’un traitement thermique avec un potentiel d’oxygène supérieur à -150 kJ.mol-1 à 1700°Cpermet d’obtenir un coefficient d’interdiffusion supérieur d’un à deux ordres de grandeur à ceuxobtenus entre -550 et -350 kJ.mol-1 à 1700°C et conduit donc à une homogénéisation U-Pu accrue.Cette étude permet de donner des recommandations sur le choix de l’atmosphère et de proposer uncycle de frittage optimisé en fonction de l’application ou de la caractéristique souhaitée. / Diffusion mechanisms occurring during the sintering of mixed uranium-plutonium oxides (MOX) areaffected by the oxygen potential of the atmosphere, as this latter imposes the nature and theconcentration of point defects in the material. This work is focused on a better knowledge of theinfluence of oxygen potential on densification, solid solution formation and U-Pu interdiffusionduring the sintering of MOX fuels. In this aim, a wide range of oxygen potential was studied, between-600 and -100 kJ.mol-1 at 1700°C, to highlight the various diffusional mechanisms and their impact onthe microstructure as oxygen deviates from stoichiometric composition and the defect concentrationincreases.As oxygen potential increases, the densification of the 70 % UO2+x + 30 % PuO2 mixture occurs at alower temperature. During the heating, the initial oxides (UO2+x et PuO2-x) densify first and then thesolid solution starts forming at about 200°C higher. The solid solution appears at a lowertemperature as the oxygen potential increases, with a faster kinetics of formation. The U-Puinterdiffusion study indicates that a heat treatment with an oxygen potential higher than -150kJ.mol-1 at 1700°C allows to obtain an interdiffusion coefficient higher by one up to two orders ofmagnitude compared with those obtained between -550 and -350 kJ.mol-1 at 1700°C and thereforeleads to an enhanced U-Pu homogenizationThis study enables to make recommendations on the atmosphere choice and to provide an optimizedsintering cycle depending on the desired application or required feature.

L'eau joue un rôle fondamental dans la photochimie du milieu interstellaire (MIS), à travers la formation d'espèces très réactives comme OH. Les radicaux OH peuvent par la suite interagir avec d'autres molécules hydrogénées pour reformer H2O par abstraction d'hydrogène: R-H + OH → R* + H2O. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié l'influence des photons VUV sur des analogues de glace interstellaire. Nous montrons que l'incorporation d'une petite quantité d'eau dans NH3 et CH4 glaces augmente considérablement la formation de radicaux réactifs comme NH2 et CH3 pendant le processus de photolyse et que le chauffage des glaces binaires irradiées telles que NH3-H2O et CH4-H2O conduit à la formation de NH2OH et d'espèces alcooliques plus complexes comme le propanol et le métoxyméthanol. Nous avons également entamé d'autres études en parallèle sur le l'évolution thermique des glaces de NH2OH d'une part et la formation de propanol par voies énergétiques (irradiation VUV) et non énergétique (réaction d'addition H) d'autre part afin de tenter d'expliquer la non-détection des ces espèces organiques dans le milieu interstellaire. L'étude des glaces mixtes irradiées NH3-CH4-H2O a montré la formation à basse température d'espèces plus exotiques en combinant les spectrométries IR et de masse. Nous avons réussi à identifier des composés organiques très complexes déjà détectés ou activement recherchés dans le MIS. / Water plays a fundamental role in the photochemistry of the interstellar medium (ISM), through OH radical formation. OH radicals can interact with other H-containing species to form H2O through a hydrogen abstraction reaction: R-H + OH → R* + H2O. In this work, we have investigated the VUV processing on different interstellar ice analogs. We show that the incorporation of small amount of water in NH3 and CH4 ices greatly increases the formation of reactive NH2 and CH3 radicals during the photolysis processing. Thermal treatments of irradiated NH3-H2O and CH4-H2O ices lead to the formation of NH2OH and larger alcoholic species such as propanol and metoxymethanol. Further studies of thermal processing of NH2OH ice and formation of propanol through energetic (VUV irradiation) and non-energetic (surface H-addition reaction) processing were carried out in the context of this thesis in order to try explaining their non-detection in the interstellar medium. The study of the irradiated mixed NH3-CH4-H2O ices showed the formation of more exotic species by combining the IR and mass spectrometries. We managed to identify very large complex organic compounds already detected or tensively sought in the ISM.

Les méthodes d'imagerie médicale non invasives, comme la scintigraphie monophotonique (SPECT) ou la tomographie par émission de positons (PET), sont des outils précieux pour le développement et la validation de nouvelles molécules thérapeutiques. Cette approche nécessite la fixation d'une molécule émettrice d'un signal sur un traceur biologique, par exemple par marquage radioisotopique. Parmi les radionucléides largement utilisés en médecine nucléaire, des cations tels que 111In3+ pour la SPECT, 64Cu2+ et 68Ga3+ pour la PET ont été mis en œuvre ces dernières années. Afin de minimiser la distribution de l'élément radioactif par transmétallation ou par transchélation dans l'organisme, il est indispensable de piéger sélectivement le radiométal visé par des ligands adaptés qui forment des complexes stables et inertes vis-à-vis de la démétallation. De nombreux travaux impliquant des ligands polyazotés linéaires ou cycliques ont été entrepris, mais le choix des ligands a rarement été étayé par une caractérisation structurale, thermodynamique et cinétique complète de leurs propriétés de coordination. L'objet de nos travaux est l'étude physico-chimique de ligands modèles N fonctionnalisés en série tétraazamacrocyclique afin d'évaluer l'impact du remplacement d' un groupe acétate par une fonction acétamide lors de la conjugaison du macrocycle au vecteur biologique via un bras de coordination. Les constantes de formation des complexes avec les isotopes naturels du Cu2+, Ga3+ et In3+, ainsi qu'avec les cations métalliques biologiquement importants tels que le Mg2+, Ca2+, Fe3+ et Zn2+ ont été mesurées. Par la suite, nous nous sommes efforcés de synthétiser et d'isoler les complexes métalliques formés avec les ions ciblés (Cu2+, Ga3+, In3+) dans le but de les caractériser par différentes méthodes spectroscopiques (RMN, RPE, UV-visible, IR, MS-ESI) ainsi que par diffraction des rayons X. Par ailleurs, les potentiels redox des complexes de cuivre(II) ont été déterminés dans l'optique d'identifier ceux qui ne sont pas susceptibles d'être réduits par les réducteurs physiologiques. / Noninvasive medical imaging techniques such as single-photon emission computed tomography (SPECT) or positron emission tomography (PET), are valuable tools for the development and validation of new therapeutic molecules. That approach requires the conjugation of a radioactive source emitting either y-rays or positrons with a biological tracer (e.g. DOTATOC). Among the potentially useful radionuclides available, 111In3+ (SPECT), 64Cu2+, and 68Ga3+ (PET) have attracted increasing attention over the last years for medical applications. To minimize the in vivo release of the radioactive cation by transmetalation or transchelation with biological ligands, it is essential to trap selectively the targeted radiometal by a suitable bifunctional chelator that forms stable and inert complexes. Many studies involving linear or cyclic sequestering agents have been reported, but their choice has only rarely been supported by a thorough structural, thermodynamic, and kinetic characterization of their coordination properties. The purpose of our work is to assess the structural and thermodynamic consequences of replacing an acetate binding unit by an amide group that mimics the peptide bond found in the linker of DOTATOC-like radiopharmaceuticals. Complexes incorporating 12, 13, or 14-membered N-functionalized tetraazamacrocycles and the targeted cations (Cu2+, Ga3+, In3+) have been isolated and structurally characterized by X-ray diffraction and various spectroscopic methods (NMR, EPR, UV-vis, IR, ESI-MS). Solution equilibrium studies with a range of cations including some biologically important ones (Cu2+, Ga3+, In3+, Mg2+, Ca2+, Fe3+, Zn2+) will also been presented, together with electrochemical measurements on some copper(II) complexes which are not likely to be reduced under physiological conditions by biological reducing agents.

Les différentes options envisagées par la France et la Suisse pour le stockage de déchets radioactifs en couches géologiques profondes argileuses prévoient l’utilisation d’importants volumes de matériaux cimentaires. Les liants dits bas-pH ont été développés afin de limiter la perturbation de la roche encaissante par le panache alcalin. Les études expérimentales menées sur les interfaces béton bas-pH-argile mettent systématiquement en évidence la formation de phases silico-magnésiennes, potentiellement de silicate de magnésium hydraté (M-S-H), mal modélisées à cause de données thermodynamiques limitées. Cette étude a pour objectif de caractériser ces phases en température, en présence d’aluminium, calcium et d’alcalins pour alimenter les bases de données thermodynamiques et améliorer les calculs sur les évolutions physico-chimiques des bétons bas pH et éventuellement des bétons de Portland. Des suspensions de M-S-H ont été synthétisées à partir d'oxyde de magnésium et de fumée de silice à différentes températures, à différents temps de réaction et différents rapports Mg/Si. Un panel de techniques d’analyses de chimie du solide et des mesures en suspensions couplées à des analyses des phases liquides a été utilisé pour caractériser les phases synthétisées. Initialement, et quel que soit le Mg/Si total choisi pour la synthèse, un M-S-H avec un rapport Mg/Si ~1 précipite en présence de brucite et de silice amorphe. Lorsque l’équilibre du système est atteint, 2 à 3 ans à 20 °C ou 1 an à 50 et 70 °C, le Mg/Si varie de ~0,8 à ~1,4. La température a peu d'influence sur le M-S-H formé même si le M-S-H se forme plus rapidement et qu’il est légèrement moins stable thermodynamiquement lorsque la température augmente. A l'équilibre, sa structure mal définie est comparable à des nano-cristallites de phyllosilicates hydratés avec une surface spécifique supérieure à 200 m2/g. Un modèle de solution solide pour le M-S-H a été calculé et ajouté à la base de données.Dans un second temps, les travaux ont été focalisés sur la formation de M-S-H à partir de silicate de calcium hydraté (C-S-H) avec un faible Ca/Si (= 0,8) et de magnésium. Le C-S-H n’est pas stable à des pH avoisinant un pH = 10, ce qui favorise la précipitation de M-S-H. Des recherches détaillées montrent que du calcium peut être faiblement incorporé dans le M-S-H (Ca/Si ≤ 0,10), et des solutions solides contenant du calcium ont été ajoutés à la base de données. Pour des pH supérieurs à 10-10,5, les C-S-H et M-S-H coexistent. L’observation par MEB-EDS d’une interface en cellule de diffusion entre C-S-H (Ca/Si=0,8 représentant un liant bas pH) et M-S-H (Mg/Si=0,8), couplée à la modélisation de celle-ci en transport réactif, sur la base des nouvelles données thermodynamiques dérivées des expériences précédentes, montrent la détérioration rapide du C-S-H et la précipitation de M-S-H dans le disque C-S-H, ainsi qu’une absorption homogène du calcium dans le disque de M-S-H.L’augmentation du pH en solution favorise la sorption de cations. Des M-S-H présentant une sorption de sodium jusqu'à Na/Si ~ 0,20 en absence de brucite ont été observés à des pH avoisinants 12,5. La sorption sur le M-S-H est favorisée dans l'ordre Na+ < Mg2+ < Ca2+. Enfin, l'aluminium s’incorpore dans le M-S-H pour former du M-A-S-H. Un rapport Al/Si jusqu’à 0,2 est observé dans des suspensions synthétisées en présence d’aluminate de sodium ou de métakaolin. Les données de RMN de l’aluminium ont montré que celui-ci est présent dans les sites tétraédriques et octaédriques du M-A-S-H. La phase formée a une structure similaire à celle du M-S-H avec un degré de polymérisation des silicates et une charge effective de surface comparables. / The various options to store radioactive wastes in deep geological strata considered in France or Switzerland include the use of large volumes of cementitious materials for infrastructure in contact with argillaceous rocks. So-called low-pH binders were developed to minimize disruption to the surrounding rock by the alkaline plume. Studies conducted on the interaction zone between concrete and clay systematically highlighted the formation of magnesium silicate phases including magnesium silicate hydrate (M-S-H) at the interfaces, which can presently be modeled only partially due to incomplete thermodynamic data. The purpose of this study was to characterize these phases in temperature, aluminum, calcium, and alkali conditions in order to provide the thermodynamic data and improve the calculations on physicochemical evolutions of low-pH concretes and possibly Portland concretes.M-S-H phases were synthesized from magnesium oxide and silica fume in batch experiments at different temperatures, for various times and varying Mg/Si. A large number of different techniques such as chemical solid characterizations coupled with suspension investigations and liquid analyses were used to characterize the phases synthesized. Initially a M-S-H phase with Mg/Si equal to 1 was precipitated in addition to amorphous silica and brucite whatever the total Mg/Si used for the synthesis. After long equilibration times, 2 to 3 years at 20°C or 1 year at 50 and 70°C, the Mg/Si in M-S-H ranged from ~0.8 to ~1.4. The temperature had little influence on the M-S-H formed even if the M-S-H formation occurred faster and M-S-H was thermodynamically slightly less stable when the temperature was increased. At or near to equilibrium, M-S-H phases were characterized with ill-defined structure comparable to nano-crystallite, hydrated phyllosilicates with a surface area greater than 200 m2/g. A M-S-H solid-solution model was calculated and implemented in the thermodynamic database.It was observed that M-S-H also form from calcium silicate hydrate (C-S-H) with a Ca/Si = 0.8 in the presence of additional magnesium. In batch experiments, a low pH of the suspensions (pH ≤ 10) destabilized C-S-H or prevented its formation and favored the precipitation of M-S-H. Detailed investigations showed that small amounts of calcium could be incorporated in M-S-H (Ca/Si ≤0.10), such that also calcium containing end-members were added to the M-S-H solid-solution. At pH ≥ 10-10.5, two separate silicate phases coexist: C-S-H and M-S-H. The interface between a simplified “low-pH” binder mimicked by C-S-H with Ca/Si = 0.8 and a magnesium-rich environment mimicked by M-S-H with Mg/Si = 0.8 confirmed these phenomena. SEM-EDS observations and reactive transport modelling using the thermodynamic data derived in the batch experiments showed the fast deterioration of the C-S-H and the precipitation of M-S-H in the C-S-H disk at the interface and a homogeneous uptake of calcium in the M-S-H disk.The increase of pH favors the sorption. M-S-H with a sodium uptake up to Na/Si ~ 0.20 and without brucite formation were observed at high pH (12.5). The sorption on M-S-H was favored in the order Na+ < Mg2+ < Ca2+. Finally, aluminum was incorporated into M-S-H to form magnesium alumino-silicate hydrate (M-A-S-H). An Al/Si ratio up to 0.2 was observed in presence of sodium aluminate or metakaolin. 27Al MAS NMR data showed that aluminum was present in both tetrahedral and octahedral sites of M-(A-)S-H. The M-(A-)S-H formed had a similar structure as M-S-H with a comparable polymerization degree of the tetrahedral silicates and a similar surface charge.