L'objectif de ce travail est l'analyse de la stabilité thermodynamique et de l'inertie chimique de complexes métalliques avec des ligands ou des nanoparticules conçus pour des applications en IRM. Deux types de ligands polyaminocarboxylates ont été étudiés, ligands pour lesquels les unités complexantes sont soit linéaires soit macrocycliques.Les ligands macrocycliques étudiés sont des ligands basés sur des squelettes DO3A, substitués par des entités benzimidazole (L1H4) ou p-nitrophenylbenzimidazole (L2H3). Les données thermodynamiques indiquent que les affinités de ces ligands vis-à-vis des ions de la première série de transition (Cu(II) et Zn(II)) ou vis-à-vis des lanthanides (Gd(III) et Eu(III)) sont plus élevées que celles des complexes correspondants avec le ligand DO3A. Ce renforcement d'affinité est corrélé avec la participation des groupements benzimidazole à la sphère de coordination de chacun des métaux. L'inertie chimique du complexe Gd(III)- L1H4 a ensuite été évaluée par relaxométrie en tampon phosphate, en présence d'une quantité équimolaire de Zn(II). Dans cette expérience, le Zn(II) joue le rôle d'un compétiteur du Gd(III) c'est-à-dire qu'il peut si le complexe Gd(III)-L1H4 n'est pas inerte chimiquement, induire une libération de l'ion gadolinium. Pour Gd(III)-L1H4, aucune réaction de ce type n'a été détectée, ce qui plaide en faveur de l'inertie chimique de ce complexe.Les ligands linéaires étudiés sont des dérivés dithiolés de ligands DTPA bisamide L@1H5. Ces ligands ont été conçus pour être greffés sur des nanoparticules d'or. La stabilité thermodynamique des complexes de Cu(II), Zn(II) et Gd(III) utilisant les ligands L@1H5 et L@1H5 greffé sur nanoparticule d'or (autrement appelé L@2H3) suit l'ordre de stabilité croissant Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Par ailleurs, les résultats montrent que le complexe Gd(III)-L@1H5 est moins stable d'au moins deux ordres de grandeur que le complexe Gd(III)-L@2H3. Ceci suggère qu'une fois greffé sur la nanoparticule, le complexe de gadolinium correspondant gagne en stabilité. Par ailleurs, des études comparatives d'inertie chimique montre que le complexe Gd(III)-L@1H5 greffé sur la nanoparticule a une inertie chimique comparable à celle de l'agent de contraste commercial Gd-DTPA. En revanche lorsque ce complexe est seul, sa vitesse de démétallation est rapide. Le greffage du ligand L@1H5 à la surface de la nanoparticule est donc au bénéfice de la stabilité et de l'inertie chimique de son complexe de Gd(III). Ce gain de stabilité peut être attribué à l''effet de ballast' de la nanoparticule qui rigidifie la structure du complexe et limite sa démétallation. / The aim of this work is to analyse the stability of metal complexes with ligands or nanoparticles of interest in MRI and to study their transmetallation mechanisms in the presence of endogenous cations near physiological pH. Two types of polyaminocarboxylate ligands were studied for which the binding unit was either linear or macrocyclic.Macrocyclic ligands are constituted of a DO3A backbone functionalized with a benzimidazole (L1H4) or a p-nitrophenylbenzimidazole unit (L2H3). Thermodynamic data indicated that the affinities of these ligands towards first row transition metal ions (Cu(II) and Zn(II) or lanthanide ions (Gd(III) and Eu(III)) are increased compared to the corresponding ones with DO3A. This enhancement is correlated to the involvement of the benzimidazole moiety to each metal coordination sphere. For gadolinium complex Gd(III)- L1H4, its kinetic inertness was evaluated in phosphate buffer by relaxometry, in the presence of equimolar quantities of Zn(II) as a competitor. In these conditions, if the complex is not chemically inert, it would be subjected to a transmetallation reaction, that is to say that at least, gadolinium would be released. For Gd(III)-L1H4, no such reaction was detected which is in favour of kinetic inertness of Gd(III)- L1H4.Linear ligand, dithiolated DTPA bisamide L@1H5 was designed with an aim of grafting it onto gold nanoparticles. L@1H5 and the ligand grafted into gold nanoparticle,namely L@2H3, were analysed for their thermodynamic stability towards mainly Cu(II), Zn(II) and Gd(III). Whatever the system, L@1H5 or L@2H3, the general trend of increasing complex stability was Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Furthermore, Gd(III)-L@1H5 complex was less stable than Gd(III)-L@2H3, this latter being 2 orders of magnitude more stable at physiological pH. This suggested that the gadolinium complex stability is enhanced when the ligand is grafted onto the nanoparticle. Moreover, comparative kinetic inertness studies showed that the gadolinium complex Gd(III)-L@1H5 is not chemically inert and demetallates rapidly while the gadolinium complex grafted onto the nanoparticle exhibit almost equal kinetic inertness as Gd-DTPA (Magnevist). The bulky nanoparticle probably rigidifies the structure of the complex and prevents Gd(III)-L@2H3 from an extensive demetallation, which was a good point for the possible use of these nanoparticles in living organisms for imaging applications.

La fibrose systémique néphrogénique (FSN) est une maladie rare et relativement récente, observée uniquement chez des patients souffrant d’insuffisance rénale sévère ou terminale. Elle est liée à l’administration d’une certaine catégorie de complexes de gadolinium (CG), les CGs thermodynamiquement moins stables, utilisés comme produits de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique. L’hypothèse mécanistique la plus couramment citée concerne les effets profibrosants du Gd3+ « libre » après dissociation in vivo des CGs les moins stables mais il n’en existe pas de démonstration formelle. La physiopathologie de cette maladie reste mal connue, notamment par manque de modèles précliniques pertinents. Les travaux de cette thèse répondent donc à la nécessité d’approfondir nos connaissances concernant les relations entre les propriétés physicochimiques des CGs (structure, stabilité) et le risque de toxicité chronique, afin de mieux comprendre leur rôle dans le mécanisme de la FSN. Nous avons mis aux points plusieurs modèles de FSN chez le Rat. Nous avons aussi comparé les effets de toutes les catégories structurales des CGs sur ces modèles. Une toxicité systémique importante et la survenue de lésions cutanées macroscopiques et d’une fibrose du derme sont notées après administration de gadodiamide (un CG linéaire et ionique de faible stabilité), ce qui est cohérent avec le fait que la grande majorité des cas de FSN sont associés à cet agent. Nous avons aussi montré que cette toxicité dépend du degré d’insuffisance rénale et que l’hyperphosphatémie sensibilise les animaux aux effets profibrosants du gadodiamide. Nos données suggèrent donc que ces facteurs associés sont des facteurs de risque de la FSN. Nous avons observé la dissociation progressive in vivo de deux CGs linéaires présentant une faible stabilité, le gadodiamide et l’acide gadopentétique, après administration chez le Rat insuffisant rénal, avec libération de Gd3+ sous forme libre et soluble. Les CGs macrocycliques sont restés stables. Nous avons confirmé cette stabilité sur du sérum de Rat et du sérum humain alors que le gadodiamide se dissocie in vitro. Nos données suggèrent aussi une interaction entre l’ion Gd3+ dissocié à partir du gadodiamide et les protéines sériques. Cette libération de Gd3+ est accélérée en présence d’une forte concentration de phosphate. Globalement, nos résultats suggèrent ainsi un rôle causal du Gd3+ libre dans les lésions cutanées observées chez les animaux insuffisants rénaux. Enfin, nous avons observé l’implication de la voie de signalisation canonique de TGFβ, le marqueur clé de la fibrose, uniquement chez des rats ayant reçu le gadodiamide et dont l’insuffisance rénale est modérée. Nos travaux sont donc en faveur de l’hypothèse mécanistique d’une dissociation des CGs peu stables. / Nephrogenic systemic fibrosis (NSF) is a rare systemic fibrosing disorder which has been described in patients with severe or end stage renal failure. NSF is associated with prior administration of certain gadolinium complexes (GCs), used as magnetic resonance imaging contrast agents, particularly those which have the lowest thermodynamic stability. The most widely accepted hypothesis regarding the mechanism is based on profibrotic effects of free Gd3+ following in vivo dissociation of the less stable GCs. Nevertheless, there is no conclusive evidence so far. The pathophysiology is not completely understood, especially due to the lack of relevant non-clinical models. The purpose of our thesis was to investigate the relationship between physicochemical properties of GCs (molecular structure, thermodynamic stability) and the risk of chronic toxicity (especially fibrosis), in order to enhance our understanding of their role in the mechanism of NSF. We have set-up various non-clinical models of NSF in renally-impaired rats. We also compared the effects of all categories of GCs on these models. A high systemic toxicity, associated with macroscopic skin lesions and dermal fibrosis, was observed after the administration of gadodiamide (a linear and nonionic GC with a low thermodynamic stability). Whereas more stable, macrocyclic GCs were well tolerated. These findings seem clinically-relevant because the vast majority of NSF cases are associated with gadodiamide. We also showed that systemic and skin toxicities depend on the baseline renal function, and that hyperphosphataemia sensitizes renally-impaired rats to the fibrotic effects of gadodiamide. Our data suggest that these factors are, actually, risk factors for NSF. We observed in vivo dissociation of two linear GCs, gadodiamide and gadopentetic acid, with gradual release of soluble Gd3+, in renally-impaired rats. Macrocyclic agents remained stable. This observation was also confirmed both in rat and human serum by the relaxometry technique. Our results are also consistent with an interaction between dissociated Gd3+ and serum proteins. We also demonstrated that elevated serum phosphate levels accelerates the release of Gd3+. Taken all together, our results suggest a causal role of dissociated Gd3+ in gadodiamide-induced skin lesions in renally-impaired rats. Finally, we identified the involvement of the canonical signaling pathway of TGFβ, the central mediator of the fibrotic response, in gadodiamide-treated rats with a moderate renal failure. Our work is consistent with a causal role of dissociated Gd in the mechanism of NSF.

La fibrose systémique néphrogénique (FSN) est une maladie rare et relativement récente, observée uniquement chez des patients souffrant d'insuffisance rénale sévère ou terminale. Elle est liée à l'administration d'une certaine catégorie de complexes de gadolinium (CG), les CGs thermodynamiquement moins stables, utilisés comme produits de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique. L'hypothèse mécanistique la plus couramment citée concerne les effets profibrosants du Gd3+ " libre " après dissociation in vivo des CGs les moins stables mais il n'en existe pas de démonstration formelle. La physiopathologie de cette maladie reste mal connue, notamment par manque de modèles précliniques pertinents. Les travaux de cette thèse répondent donc à la nécessité d'approfondir nos connaissances concernant les relations entre les propriétés physicochimiques des CGs (structure, stabilité) et le risque de toxicité chronique, afin de mieux comprendre leur rôle dans le mécanisme de la FSN. Nous avons mis aux points plusieurs modèles de FSN chez le Rat. Nous avons aussi comparé les effets de toutes les catégories structurales des CGs sur ces modèles. Une toxicité systémique importante et la survenue de lésions cutanées macroscopiques et d'une fibrose du derme sont notées après administration de gadodiamide (un CG linéaire et ionique de faible stabilité), ce qui est cohérent avec le fait que la grande majorité des cas de FSN sont associés à cet agent. Nous avons aussi montré que cette toxicité dépend du degré d'insuffisance rénale et que l'hyperphosphatémie sensibilise les animaux aux effets profibrosants du gadodiamide. Nos données suggèrent donc que ces facteurs associés sont des facteurs de risque de la FSN. Nous avons observé la dissociation progressive in vivo de deux CGs linéaires présentant une faible stabilité, le gadodiamide et l'acide gadopentétique, après administration chez le Rat insuffisant rénal, avec libération de Gd3+ sous forme libre et soluble. Les CGs macrocycliques sont restés stables. Nous avons confirmé cette stabilité sur du sérum de Rat et du sérum humain alors que le gadodiamide se dissocie in vitro. Nos données suggèrent aussi une interaction entre l'ion Gd3+ dissocié à partir du gadodiamide et les protéines sériques. Cette libération de Gd3+ est accélérée en présence d'une forte concentration de phosphate. Globalement, nos résultats suggèrent ainsi un rôle causal du Gd3+ libre dans les lésions cutanées observées chez les animaux insuffisants rénaux. Enfin, nous avons observé l'implication de la voie de signalisation canonique de TGFβ, le marqueur clé de la fibrose, uniquement chez des rats ayant reçu le gadodiamide et dont l'insuffisance rénale est modérée. Nos travaux sont donc en faveur de l'hypothèse mécanistique d'une dissociation des CGs peu stables.