L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n’étant spécifique d’aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d’être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d’applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d’étudier et d’affiner les propriétés d’encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d’intérêt biologique. D’une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l’IRM xénon hyperpolarisé. D’autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d’imagerie médicale. / Today, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful clinically used imaging method which provides three-dimensional images with excellent resolution. However, conventional molecular MRI techniques that rely on the observation of water protons still suffer from reduced sensitivity and often lack selectivity. The use of hyperpolarized xenon can improve both the selectivity and sensitivity of the MRI method. As xenon has no specificity for any biological receptor, it needs to be vectorized. For this purpose, authors have proposed to encapsulate xenon inside molecular cages functionalized to recognize specific biological targets. The best candidates so far as biosensors are cryptophanes.The aim of this work is to design and synthesize new cryptophanes that are better suited for 129Xe MRI applications and relevant biosensors for future in vivo applications. In a first part, new cages were developed in order to study the encapsulation properties of xenon inside different cryptophanes. Then, biosensors were synthesized by functionnalization of known water-soluble cryptophanes for different applications of biological interest. We have therefore assessed the possibility of detecting metal ions specifically in a very sensitive way thanks to 129Xe MRI. New bimodal sensors were also designed and tested.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n'étant spécifique d'aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d'être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d'applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d'étudier et d'affiner les propriétés d'encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d'intérêt biologique. D'une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l'IRM xénon hyperpolarisé. D'autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d'imagerie médicale.

Le marquage, la détection et l’étude de protéines in cellulo sont essentiels pour la compréhension au niveau moléculaire des mécanismes biologiques. Des techniques sensibles et qui engendrent peu de perturbations sur le système étudié sont indispensables. Hélas les techniques de pointe historiquement utilisées telles que l’optique font déplorer une forte perturbation du système en raison de la taille imposante des fluorophores utilisés. L’IRM quant à elle possède une sensibilité de détection très faible. Ce projet propose une méthode innovante de détection de protéines en combinant ces deux techniques prometteuses et hautement complémentaires pour une étude moléculaire de processus intracellulaires. Les deux avancées techniques permettant l’élaboration d’un tel projet sont l’utilisation d’un fluorophore activable de très petite taille et l’exploitation de la grande sensibilité d’un gaz non toxique, le xénon, dont le spin nucléaire est hyperpolarisé. Combiner ces deux techniques d’imagerie novatrices permet d’obtenir des informations au niveau moléculaire. Ce projet sera une percée dans le suivi de protéines recombinantes et l’étude des mécanismes intracellulaires associés. In fine, le but est de créer le premier traceur capable de détecter sa cible et de s’activer à la fois en fluorescence et en IRM. / Full understanding of intracellular phenomena involves sensitive and non-invasive detection. A less disruptive method than labeling with fluorescent proteins uses binding between a tag of only six natural amino acids that can be genetically incorporated into the protein of interest and a small molecule called FlAsH. This molecule has the ability to fluoresce only when it binds to its tetracysteine target. Another technique based on 129Xe NMR has emerged. Xenon is hyperpolarized to enhance the NMR signal by orders of magnitude and its reversible encapsulation in functionalized host systems gives it a specific spectral signature. Capability of the noble gas to cross cell membranes without losing its polarization enables in cellulo investigations.This doubly smart probe is highly promising for monitoring, studying, detecting recombinant proteins. Structural, chemical and lateral resolutions are combined by the bimodality of this new concept, which can be extended to in cellulo detection.

Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d'un nombre n d'unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l'encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L'encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l'heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s'est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d'étudier leur capacité d'encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l'éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l'encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l'hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d'une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d'encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d'analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l'étude de l'encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l’IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont des molécules cages constituées de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes. / Non-invasive proton magnetic resonance imaging (1H MRI) is a powerful clinical tool for the detection of numerous diseases. Although MRI contrast agents are often used to improve diagnostic specificity, this technique has limited applications in molecular imaging because of its inherently low sensitivity when compared to nuclear medicine or fluorescence imaging. Laser-polarized 129Xe NMR spectroscopy is a promising tool to circumvent sensitivity limitations. Indeed, optical pumping increases the nuclear spin polarization of xenon by several orders of magnitude (104 to 105), thus small amounts of gas dissolved in biological tissues (blood, lungs…) can be rapidly detected with an excellent signal-to-noise ratio. In addition, the high polarizability of the xenon electron cloud, which induces a very high sensitivity to its environment, makes this nucleus very attractive for molecular imaging. Detection of biomolecules can be achieved by biosensors, which encapsulate xenon atoms in molecular cages that have been functionalized to bind the desired biological target. Cage molecules such as cryptophanes have high affinity for xenon and thus appear as ideal candidates for its encapsulation. During this PhD thesis we worked on the synthesis and the functionalization of new cryptophanes.

Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d’un nombre n d’unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l’encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L’encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l’heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s’est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d’étudier leur capacité d’encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l’éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l’encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l’hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d’une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d’encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d’analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l’étude de l’encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay. / The cucurbituril family (CBn) constitutes a group of recent synthetic host-molecules. These compounds are formed by n glycoluril units and, since the beginning of the 2000’s, they have found their interest in multiple domains such as biology, chemistry and physics. They have joined the large group of synthetic receptors comprising cyclodextrins, calixarens, cryptophanes, carcerands and hemicarcerands. Gaz encapsulation in this family of compounds is misunderstood. In these PhD works, our interest concerned gaz complexation, especially xenon, into cucurbiturils. First, the synthesis of new hydrosoluble cucurbiturils to study their ability to encapsulate noble gaz and small alcans such as methan and ethan is described. Our final goal will be to define new rules concerning gaz encapsulation by cucurbiturils. Noble gaz from helium to krypton have been studied. Among these noble gaz, xenon is particularly interesting in the domain of biosensing, for the design of new diagnostic methods by MRI. In this manuscript, the synthesis of a family of hydrosoluble cyclohexylcucurbiturils and their ability to encapsulate xenon is described. Another new cucurbituril constituted by five glycoluril units and one glycoluril unit forming a six-membered ring, has also been prepared. The first two parts of the manuscript present the gaz encapsulation and the cucurbituril family. The third part describes our results concerning the new synthetized cucurbiturils. In the fourth part, we have developped a method based on metathesis reactions (ROM-CM) for preparing some precursors of acyclic congeneers of cucurbiturils. Lastly, the fifth part concerns results about gaz encapsulation. All of this study has been driven in collaboration with Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (CEA Saclay).