Les recherches actuellement menées dans le domaine de l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) s’orientent vers l’imagerie dite moléculaire, où l’agent de contraste interagit de manière non covalente avec une biomolécule exprimée dans des conditions pathologiques, modulant ainsi spécifiquement le contraste de la zone concernée. Dans ce but, l’évaluation de l’affinité du contrastophore pour sa cible potentielle est primordiale. Dans ce travail, la technique de « diffusométrie RMN » a été mise en œuvre pour évaluer les interactions non covalentes entre l’albumine sérique humaine (HSA) et différents agents de contraste potentiels pour l’IRM. La HSA présente en effet le double avantage de conférer aux agents de contraste une meilleure efficacité, qui se traduit par une augmentation plus marquée de la vitesse de relaxation des protons de l’eau, ainsi qu’un temps de rémanence vasculaire plus élevé, ce qui les rend propices à une utilisation en angiographie. Cette étude a été réalisée sur trois agents de contraste déjà largement décrits dans la littérature (Gd-DTPA, Gd-EOB-DTPA et MP2269) ainsi que sur trois nouveaux agents de contraste synthétisés dans le cadre de ce travail (Gd-C4-sulfadiméthoxin-DTPA, Gd-C4-sulfaphénazol-DTPA, Gd-C4-thyroxin-DTPA). Ces trois nouveaux contrastophores ont été caractérisés indépendamment en solution aqueuse et en présence d’albumine par deux autres techniques précédemment étudiés au sein de notre laboratoire : la relaxométrie protonique et la spectrométrie de masse electrospray. Les résultats obtenus ont révélé une bonne efficacité de deux des agents de contraste en solution aqueuse, ainsi qu’une affinité élevée pour la HSA dans le cas de ces deux mêmes contrastophores. La technique de diffusométrie RMN pour l’évaluation des interactions non covalentes repose sur la différence entre le coefficient de diffusion du ligand seul en solution (l’agent de contraste IRM dans notre cas) et du ligand lié à la macromolécule étudiée (la HSA). En effet, si le contrastophore se lie à l’albumine et que l’échange entre les deux partenaires est rapide sur les échelles de temps RMN, le coefficient de diffusion observé est une moyenne pondérée entre le coefficient de diffusion du ligand libre et le coefficient de diffusion du ligand lié à l’albumine. Les résultats obtenus ont confirmé les tendances observées lors de précédentes études réalisées avec d’autres techniques et nous ont apporté une information supplémentaire sur la cinétique d’échange entre les deux partenaires de l’interaction. Le travail a permis d’explorer les limites de validité de la méthode.

La détection de l'apoptose revêt un intérêt considérable en raison de son implication dans de nombreuses pathologies d'incidence élevée, comme le cancer ou la maladie d'Alzheimer pour n'en citer que deux. Des méthodes de mise en évidence de ce phénomène se multiplient et se développent sans cesse visant à détecter in vitro voire même in vivo, cette forme de mort cellulaire programmée. Grâce à son pouvoir de résolution élevé et à des agents de contraste spécifiques, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) offre la possibilité de détecter, de manière non invasive, les cellules apoptotiques. Cette approche trouvera son utilité pour la mise au point de traitements anti-tumoraux et pour leur suivi en clinique. Aujourd'hui, il existe des agents de contraste magnétiques capables de reconnaître les cellules apoptotiques, mais leurs molécules vectrices sont constituées de protéines, d'anticorps ou de leurs domaines dont on ne peut ignorer l'important pouvoir immunogène. Des molécules mimétiques ou des oligomères de petite taille comme des peptides seraient plus adaptés et plus simples à synthétiser chimiquement. Notre travail porte sur la sélection, de peptides capables de reconnaître spécifiquement les cellules apoptotiques, en se fixant à la phosphatidylsérine (molécule marqueur des cellules apoptotiques). Ces peptides ont été sélectionnés par la méthode du phage display. Le phage display est une technique de biologie moléculaire permettant de sélectionner, entre autre, des peptides de longueur déterminée, en fonction de leur affinité pour une cible donnée. Plusieurs milliards de séquences peptidiques exposées par les phages constituant la bibliothèque, peuvent être testés simultanément. Les meilleures séquences sont ensuite synthétisées chimiquement et testées indépendamment du phage. Dans la première partie de ce travail, plusieurs protocoles de phage display basés sur différentes méthodes d'immobilisation de la cible, et différents types de bibliothèques de phages ont été testés et comparés. A l'issue de ces sélections, plusieurs phages présentant une affinité élevée pour la phosphatidylsérine ont été sélectionnés. Un des peptides exposés par un de ces phages, nommé E3, a été synthétisé et étudié dans la seconde partie de ce travail. Le peptide E3 a été d'abord greffé à un contrastophore magnétique de type superparamagnétique (Ultra Small Particle Iron Oxide) pour être testé in vitro sur des systèmes biologiques (apoptose induite chez des cellules Hep G2 par la camptothécine). Après avoir été testé avec succès sur culture cellulaire, ce nouvel agent de contraste magnétique a été utilisé, in vivo dans le modèle murin d'apoptose hépatique induite par injection i.v. d'anticorps anti-Fas. Comme tout agent de contraste de type particulaire, le GG-E3-USPIO (peptide E3 greffé aux USPIOs par un pont diglycyle) serait capté de manière non spécifique par le foie. Il doit donc être rendu "furtif" pour permettre l'exploitation de sa spécificité. Afin de contourner le problème de capture non spécifique par le foie, le GG-E3-Gd-DTPA (peptide E3 greffé au Gd-DTPA par un pont diglycyle), un autre agent de contraste, cette fois de type paramagnétique, a été synthétisé. Les agents de contraste GG-E3-USPIO-PEG (peptide E3 greffé aux USPIO recouvertes de polyéthylèneglycol par un pont diglycyle) et GG-E3-Gd-DTPA se sont avérés efficaces, provoquant respectivement une diminution et un rehaussement du signal des foies apoptotiques de souris en IRM.

L’Imagerie par Résonance Magnétique est une des techniques de diagnostic les plus performantes. Parmi les perspectives d’avenir, les applications en imagerie moléculaire avec l’utilisation d’agents de contraste intelligents sensibles à divers paramètres physico-chimiques sont particulièrement attrayantes.Dans cette thèse, nous présentons la synthèse et la caractérisation physico-chimique de nouveaux complexes de lanthanide dans le but de développer des agents de contraste sensibles à l’activité enzymatique ou la présence d’ions calcium. Les premiers complexes sont basés sur le concept de coupler un substrat spécifique à une enzyme par l’intermédiaire d’un bras auto-immolable, à un chélate de lanthanide macrocyclique. Les modifications de structure qui suivent le clivage du substrat et l’autodestruction du bras sont sensées induire des variations de relaxivité ou des propriétés CEST des complexes. Même si nous n'avons pas pu créer des agents de GdIII avec une réponse T1, plusieurs complexes d’YbIII ou d’EuIII montrent un important changement de leurs propriétés CEST après réaction enzymatique. Certains d'entre eux portant un bras dérivé pyridinique peuvent également agir comme des sondes optiques émettant dans le visible ou le proche infrarouge.Nous avons également développé un agent sensible au calcium en combinant un chélate de lanthanide macrocyclique avec une unité d’iminodiacetate permettant la coordination du calcium. Les complexes d’EuIIIet d’YbIII montrent une importante diminution de l’effet CEST en présence de Ca2+. L’utilisation en parallèle des deux complexes permet une approche ratiométrique où la réponse IRM détectée est indépendante de la concentration de l’agent. / Today, Magnetic Resonance Imaging is one of the most powerful diagnostic techniques in the clinics. Amongfuture perspectives, molecular imaging applications based on smart contrast agents which are responsive to various physico-chemical parameters, are particularly attractive. In this work, we present the synthesis and physico-chemical characterisation of novel lanthanide complexes with the aim of developing smart contrast agents for the detection of enzyme activity or calcium concentration.The complexes designed to give an MRI response to an enzyme are based on the original concept of coupling an enzyme-specific substrate to a macrocyclic LnIII chelate via a self-immolative linker. The structural changes following enzymatic cleavage of the substrate and destruction of the self-immolative armare expected to induce variation of the relaxivity or the CEST properties of the LnIII complexes. Though we failed creating GdIII agents with a T1 response upon enzymatic reaction, several YbIII or EuIII complexes were synthesized that provide an important change in their CEST properties. Some of them, bearing a pyridine-derivative arm which is an efficient sensitizer of lanthanide luminescence, act also as enzyme-responsive NIR or visible emitting optical probes.We have developed a Ca-responsive agent combining a DOTA-tetraamide LnIII chelator with animinodiacetate unit for calcium coordination. The EuIII and YbIII complexes show an important decrease in the CEST effect in response to Ca2+. The parallel application of the two complexes allows for ratiometric approaches where the detected MRI response is independent of the concentration of the agent.

L’objectif poursuivi au cours de ce travail est l’encapsulation de complexes métalliques au sein de nanoparticules biocompatibles, et ce pour des visées diagnostiques. Dans ce but, un protocole de double émulsion-diffusion de solvant Wi/O/We, n’utilisant que des composés biocompatibles, a été mis au point et optimisé pour obtenir, de façon quantitative et reproductible, des nanoparticules de PLGA de diamètre compatible avec une injection par voie parentérale. Cette formulation a été employée avec succès pour l’encapsulation de complexes modèles de Cu(II). Les formulations optimales permettent d’obtenir des nanoparticules possédant des diamètres hydrodynamiques moyens inférieurs à 200 nm avec des efficacités d’encapsulation entre 20 et 25 %. L’utilisation de cette formulation pour l’encapsulation de chélates de gadolinium ne permet pas d’obtenir des rendements d’encapsulation satisfaisants. La modification du protocole vers une méthodologie Wi/O1/O2ne permet pas d’améliorer l’encapsulation et dénote l’absence d’affinités entre le polymère hydrophobe et les complexes hydrophiles. L’utilisation de nanoparticules composées d’une matrice hydrophile permet d’obtenir des taux de charges nettement supérieurs. Ceci conforte l’hypothèse selon laquelle les interactions entre le complexe et la matrice des nanoparticules jouent un rôle crucial pour l’encapsulation. / The goal of this work was to encapsulate metal complexes into biocompatible nanoparticles for diagnostics. To reach this purpose, a double emulsion-solvent diffusion Wi/O/We technique was optimized, using only biocompatible compounds. It allowed the obtention of PLGA nanoparticles that are compatible with parenteral injections in a reproducible and quantitative way. This formulation was successfully applied to encapsulate model Cu(II)complexes. Optimal formulations showed mean diameters below 200 nm with encapsulation yields in the 20-25 % range. The use of this formulation for gadolinium chelates did not lead to satisfactory encapsulation yields. Thereafter, a Wi/O1/O2 methodology was developed but could not allow to raise the encapsulation efficiencies. This point showed the lack of affinity between the hydrophobic polymer and the hydrophilic chelates. The use of nanoparticles made of an hydrophilic matrix showed a ten-fold increase in the drug loading efficiency. This confirms the hypothesis in which interactions between chelates and nanoparticle matrices play a crucial role for encapsulation.

Cette thèse décrit une stratégie de synthèse de nouvelles générations des nanoparticules (NPs) pour applications biomédicales, visant à une amélioration de leurs performances pour l'imagerie, le diagnostic thérapeutique. Ces NPs présentent plusieurs fonctionnalités leur permettant de réaliser des tâches multiples. Deux types de sondes bimodales ont été développés et étudiés afin d'évaluer leur potentiel comme agents (1) de contraste en IRM et (2) luminescents. Ces objetscombinent les propriétés des complexes de lanthanide (Ln3+) et celles des NPs de silice ou de type coeur-écorce Fe2O3SiO2 pour une imagerie bimodale. Ces NPs testées sur des cellules vivantes ont permis d'illustrer la preuve du concept aussi bien en IRM avec une augmentation d'intensité des images et un impact significatif sur les relaxivities r1, r2 et r2* qu'en photoluminescence. L'étude du système coeur-écorce a montré que l'influence du contrôle fin de l'écorce autour du noyau d'oxyde de fer a pu être modélisée.

Le scanner spectral à comptage photonique (SPCCT) associé à des agents de contraste spécifiques pourrait détecter certaines inflammations cardiovasculaires à un stade précoce. Les agents de contraste utilisés actuellement en imagerie à rayons X sont des petites molécules qui sont éliminées du système cardiovasculaire en quelques minutes. D’où la nécessité de développer des nanosystèmes présentant des nouvelles caractéristiques intéressantes (ciblage passif/actif, temps de circulation sanguine prolongé, etc.). Dans ce projet de recherche, des nanoparticules (NPs) de polymères iodés ont été produites à l’aide du procédé de nanoprécipitation. Dans un premier temps, les paramètres de procédé et de formulation ont été optimisés pour fournir un agent de contraste répondant à des spécifications physicochimiques précises. Des nanoparticules composées d’une matrice de polymère iodé enveloppée de PEG ont été formulées. Ces suspensions de NPs sont extrêmement stables (jusqu’à 8 mois dans l’eau et dans le sérum humain), monodisperses, avec un diamètre moyen de 150 nm. Une concentration en iode de 100 g(I). mL-1 obtenue après une étape de centrifugation / redispersion a fourni un agent de contraste avec une radiopacité dans la gamme appropriée pour l’imagerie du système cardiovasculaire et l’étude de la biodistribution. Les algorithmes de reconstructions implémentés dans le SPCCT (Décomposition de la matière et reconstruction K-edge), ont permis une quantification précise de l’iode, ainsi qu’une discrimination spécifique du gadolinium et de l’iode dans des phantoms contenant un mélange des deux éléments. La biodistribution a été évaluée après injection des NPs à des rats par voie intraveineuse. Les NPs permettent une visualisation détaillée du système cardio-vasculaire, accompagnée d’une accumulation progressive dans le foie et la rate. Ces deux organes étaient toujours visibles 15 jours après l’injection. Une étude de biodégradation des NPs a été menée sur des cellules de macrophages. Malgré la biodégradabilité potentielle des polymères, les NP intériorisées par les macrophages par phagocytose au cours d’une incubation de 5 heures restent intactes pendant 5 semaines, tandis que certaines cellules sont dégradées. Des NPs ciblant la tropoélastine ont également été synthétisées pour l’imagerie active de la plaque d’athérosclérose au niveau moléculaire. Un test Biacore a montré une affinité des NPs conjuguées avec le peptide de ciblage vis-à-vis de la molécule réceptrice / The Spectral Photon Counting Computed Tomography (SPCCT) technology associated with specific contrast agents could detect some cardiovascular inflammations at an early stage. Currently, contrast agents for CT are small molecules that are eliminated from the cardiovascular system within few minutes. Hence there is a need to develop nanosystems that present new interesting features (passive/active targeting, long blood circulation times, etc.). In this work, iodinated polymer nanoparticles (NPs) were produced using the nanoprecipitation process. First, the process and formulation parameters were optimized to provide a contrast agent that meets definite physicochemical specifications. Highly stable (up to 8 months in water and human serum), monodisperse suspensions of spherical NPs with an average diameter of 150 nm were obtained. The iodinated polymer matrix core is coated by a PEG shell. An iodine concentration of 100 g(I).mL-1 reached after a centrifugation/redispersion step provided radiopacity of the contrast agent in the right range for imaging cardiovascular system and studies of biodistribution. SPCCT material decomposition and K-edge reconstruction allowed accurate quantification of iodine, as well as specific discrimination of gadolinium and iodine in phantoms containing mixtures of both elements. Biodistribution was assessed after intravenous injection of iodinated polymer NPs to rats, revealing a clear visualization of the cardiovascular system, and progressive accumulation in liver and spleen. These organs were still visible up to 15 days post-injection. A biodegradation experiment was carried out on macrophages cell culture. Despite the potential biodegradability of the polymers, NPs internalized by the macrophages after a 5h incubation via the phagocytosis mecanism, remained intact during 5 weeks, while some cells were degraded. Tropoelastin targeting NPs were also developed for active imaging of the atherosclerosis plaque at the molecular level. A Biacore test showed specific affinity of the NPs conjugated with the targeting peptide towards tropoelastin

Les agents de contraste ultrasonore (ACU) sont des microbulles de gaz contenues dans une enveloppe biocompatible. Injectés par voie intraveineuse, ils permettent d'améliorer le contraste échographique. La mise au point de nouvelles techniques d'imagerie utilisant les ACU nécessite une connaissance fine de leur comportement dynamique. Un état de l'art comparatif des modèles théoriques, illustrés de résultats numériques, a motivé une étude du caractère non linéaire des équations de Rayleigh-Plesset, Hoff, et Marmottant. Les courbes amplitude-fréquence, obtenues à l'aide du logiciel MANLAB suite à la mise sous forme quadratique des équations, révèlent le caractère mollissant d'un ACU et permettent de quantifier l'influence de l'amortissement visqueux et de l'amplitude de l'excitation acoustique sur la réponse d'un ACU. Un modèle éléments finis (COMSOL MultiphysicsTM) est ensuite proposé pour évaluer la fréquence de résonance d'un ACU (dont l'enveloppe est modélisée par un corps viscoélastique) placé soit dans un milieu fluide infini, soit dans un milieu fluide semi-infini (présence d'une paroi rigide). Les résultats obtenus en milieu infini sont en accord avec ceux issus des modèles théoriques, validant ainsi le modèle numérique. Des études paramétriques ont été effectuées afin d'étudier l'influence du rayon de l'objet et des paramètres de l'enveloppe sur la fréquence de résonance. En présence d'une paroi, il a été mis en évidence que plus l'ACU est proche de celle-ci, plus sa fréquence de résonance diminue. Ce comportement est confirmé par les résultats expérimentaux parus récemment dans la littérature.

Les nanoparticules seront sans doute les outils diagnostiques et thérapeutiques de demain. Si ellessont magnétiques, elles sont promises à des applications telles que le renforcement du contraste enIRM, la thermothérapie et la libération contrôlée de médicaments. Les nanomatériaux La1-xSrxMnO3ont été sélectionnés car leur température de Curie (TC) peut être ajustée dans la gamme detempérature thérapeutique. Des particules calibrées en taille et désagrégées ont été élaborées par leprocédé glycine-nitrate (GNP). Les caractérisations chimiques et structurales ont permis de mieuxcomprendre les résultats contradictoires de la littérature concernant la soi-disant dépendance de TCavec la taille des nanoparticules. L'adaptabilité de ces nanoparticules pour des applications enhyperthermie ou en IRM a été confirmée. Enfin, la capacité des nanoparticules à s'échauffer a étéutilisée pour réticuler autour d'elles une couronne de macromolécules thermosensibles selon leconcept nouveau de chimie localement stimulée.

Ce travail porte sur le développement de nanovecteurs magnétiques à base de nanoparticules, destinés à des applications biomédicales in vivo. Les études se sont dirigées vers l'optimisation du couplage de macromolécules de dextran et de dérivés de polyoxyde d'éthylène à la surface des nanoparticules magnétiques afin de les rendre biocompatibles. Des nanoparticules de maghémite, préalablement synthétisées, ont été<br />modifiées en surface par des agents de couplage silaniques organofonctionnels suivi du greffage covalent des macromolécules. Les nanovecteurs, ont ensuite été marqués par des sondes fluorescentes pour réaliser des<br />tests in vitro de double marquage (IRM, fluorescence) de microglies humaines (HEMC5).

L'état d'art concernant l'élaboration des matériaux inorganiques multifonctionnels, à l'échelle nanométrique, a fait l'objet de nombreuses recherches depuis vingt ans. Les réseaux de coordination tridimensionnels d'analogues de bleu de Prusse présentent des propriétés magnétiques modulables par l'application d'un stimulus extérieur (champ magnétique, irradiation lumineuse, pression ou variation de température etc...) qui mènent à une variété d'applications notamment pour le stockage de l'information et pour l'imagerie médicale. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail de thèse.L'objectif principal porte sur la synthèse, la caractérisation chimique et structurale et l'étude des propriétés magnétiques, photomagnétiques et de relaxivité de nano-objets multicouches de ces réseaux. Dans une première partie, nous avons cherché à élaborer des nanoparticules de l'analogue CsCoFe(CN)6 du bleu de Prusse photomagnétique de tailles bien contrôlées. La synthèse met en jeu plusieurs facteurs qui influent la taille et l'homogénéité des particules. Ainsi une croissance contrôlée de la taille a été obtenue permettant de sonder l'effet de la taille sur la réponse photomagnétique. L'assemblage de ces particules sur un substrat de graphite orienté HOPG a permet d'obtenir une monocouche compacte sur plusieurs microns qui conduit à une croissance de films d'épaisseurs contrôlées. Le comportement photomagnétique a été étudié sur ces films. Dans la deuxième partie, nous nous sommes également intéressés à combiner, toujours à l'échelle nanométrique, cet analogue photomagnétique à un autre réseau ferromagnétique CsNiCr(CN)6 dans le but de créer une réponse exaltée sous lumière à plus haute température. Un comportement synergique est observé dans de telles hétérostructures et se manifeste par (i) une aimantation présentant un renversement uniforme des deux composantes et (ii) une augmentation photo-induite de l'aimantation qui persiste jusqu'à la température d'ordre du ferromagnétique.La dernière partie est consacrée à la synthèse d'agents de contraste nanométriques de réseaux de coordination. D'une part, des nanoparticules de bleu de Prusse KFeFe(CN)6 de tailles différentes ont été synthétisées avec un excellent contrôle de la taille. Les valeurs de relaxivité de la composante longitudinale T1 du temps de relaxation montrent une dépendence de la taille et du taux d'atomes paramagnétiques en surface. D'autre part, nous avons élaboré un alliage MnxIn1-xFe(CN)6 avec différentes proportions en manganèse, différentes tailles ont été obtenues en fonction du taux de manganèse inséré. Nous avons démontré que les ions MnII sont localisés en surface dans une structure proche de la structure cœur-coquille qui explique les valeurs élevées observées. Les valeurs élevées de la relaxivité de ces particules en font d'excellents candidats en tant qu'agents de contraste pour l'imagerie à résonance magnétique (IRM). Afin d'explorer leurs potentialités, les particules de KFeFe(CN)6 de 6 nm et de Mn0.3In0.7Fe(CN)6, présentant la plus grande valeur de relaxivité, ont été enrobées par un polymère fluorescent biocompatible et internalisées au sein des cellules vivantes. Des tests de toxicité ont été aussi effectués.