Depuis le développement de l'industrie nucléaire, les risques de contamination humaine avec des actinides subsistent et doivent être pris en considération. Le développement des arsenaux nucléaires, les accidents industriels liés à la filière nucléaire civile (Tchernobyl, Fukushima) ou l’utilisation d’armement à l’uranium appauvri dans les conflits armés (Guerre du Golfe, Kosovo) font des contre-mesures visant à décorporer les actinides chez l'homme un enjeu stratégique majeur. Les actinides sont des éléments radiotoxiques et chimiotoxiques (dont la dangerosité dépend de l'isotopie) qui, en cas d’absorption, peuvent provoquer des dommages (cancers, nécroses, etc.) aux tissus et aux organes qu’ils ciblent (foie, reins, squelette). Actuellement l’efficacité de décorporation du chélatant moléculaire de référence, le DTPA (acide diéthylènetriamine pentaacétique), est limitée par sa faible distribution aux organes touchés par la rétention des actinides. Ce projet de thèse constitue une première étape dans l’exploration d’une stratégie de fonctionnalisation macromoléculaire pour vectoriser les agents chélatants vers ces organes cibles de la rétention des actinides dans le but d’augmenter leur excrétion. Pour initier cette problématique, nous avons choisi de nous intéresser aux capacités de complexation de l’uranyle (U(VI)), du plutonium et du thorium (Pu(IV) et Th(IV)) par deux polyéthylèneimines (PEI) fonctionnalisés avec des groupements carboxylate et phosphonate. L’élaboration des courbes de charge associées à la formation des complexes polymériques d’actinides combinées à des études de spectroscopie EXAFS et IR en milieu pseudo-biologique ont permis de définir les capacités de charge maximale de chaque polymère et de caractériser les sites de complexation. Ces données permettent de mieux comprendre les mécanismes d'affinité des polyéthylèneimines fonctionnalisés pour les actinides considérés et donc de progresser dans le design de décorporants. / Since the development of the nuclear industry, the risks of human contamination with actinides are not to be neglected and should be taken in account. Development of the nuclear weapon programs, nuclear plant accidents from civil use (Chernobyl, Fukushima) or use of depleted uranium ammunitions in war zones (Gulf War, Kosovo) have made countermeasures to decorporate actinides in humans an important strategic issue. Actinides are radiotoxic and chemotoxic elements (the relative dangerousness of which depends on their isotopy) which, if absorbed, can cause damages to the tissues and organs they target (bone, liver cancers or necrosis, etc.). To date the efficiency of the molecular decorporation agent of reference, DTPA (diethyleneiminetriamine pentaacetic acid), is limited by its weak distribution rate to the target organs (bone, liver, kidneys). This project explores the possibility to enhance the actinide body excretion using a targeting strategy of the decorporation agent towards the target organs. To initiate this question, we have chosen to focus on the complexing capacities of uranyl (U (VI)), plutonium and thorium (Pu (IV) and Th (IV)) by two polyethyleneimines (PEI) functionalized with carboxylate and phosphonate groups. The measurement of the uptake curves associated with the formation of the actinide polymer complexes combined with EXAFS and IR spectroscopic studies in a pseudo-biological medium made it possible to define the maximum loading capacities of each polymer and to characterize the complexation sites. These data allow to better understand the mechanisms of affinity of the functionalized polyethyleneimines for the above actinides and thus to progress in the design of new decorporation agents.

En cas d’accidents nucléaires (Tchernobyl, Fukushima) ou d’exposition à de l'uranium appauvri dans des zones de conflit, la décontamination est nécessaire pour réduire au mieux les conséquences de l’ingestion de radionucléides. Après une contamination externe ou interne, les actinides solubilisées sont distribués dans les organes cibles (squelette, foie, tissus, reins, etc.) via la circulation sanguine. Compte tenu de cette dispersion, la chélation de ces radionucléides par des ligands biologiques est une méthode efficace de décorporation pour favoriser l'excrétion de ces métaux déposés et ainsi réduire les risques pour la santé. En raison du faible taux de distribution dans les organes cibles (os, foie, reins) de l'acide diéthylènetriaminepentaacétique (DTPA), des agents de chélation ont été synthétisés et testés in vitro ou in vivo. Dans ce projet, plusieurs ligands polyaminophosphonates, (conçus à l'origine pour être des agents de contraste), ont été synthétisés selon leurs propriétés de bio-distribution, de leurs groupes fonctionnels, de leur potentiel site de coordination et de leur lipophilie. Des études structurales et thermodynamiques ont ensuite été effectuées sur les complexes entre l'uranium (VI) et l’europium (III) (comme analogue de l’américium (III) et curium (III)) et les ligands polyaminophosphonates. La sphère de coordination de ces cations a été observée par spectroscopie UV-visible, TRLFS, FT-IR et la spectroscopie d’absorption X (EXAFS). L'étude de l’affinité a été réalisée par spectroscopie UV-visible. Enfin, les spectroscopies UV-visible et TRLFS ont été utilisées d’une part pour tester la stabilité du complexe ligand/uranyle en présence d’un ion métallique et d’autre part pour étudier le système ternaire : ion uranyle/ligand/calmoduline. Ces résultats ont permis de mieux comprendre les mécanismes de chélation et d’évaluer l'affinité chimique de ces ligands polyaminophosphonates pour l'uranium (VI) et l’europium (III). Cela devrait ainsi aider à la conception de nouveaux agents de chélation de plus en plus efficaces du point de vue de la décorporation. / For exposed person who suffers from contamination from nuclear accidents (Chernobyl, Fukushima) or depleted uranium in war zones, decontamination is required to reduce the sequence damage of radionuclide intake. After an external or internal contamination, the solubilized actinides could be distributed to the target organs (skeletal, liver, kidneys tissues, etc.) via the bloodstream. Considering the dispersion, fate and health effect of the actinides, chelation therapy is an effective decorporation method to promote the excretion of deposited actinides to reduce the health risk. Due to the defect on weak distribution rate to the target organs (bone, liver, kidneys) of diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) which currently used in clinics, plenty chelation agents were synthesized and tested in vitro or in vivo. In this project, several polyaminophosphonates ligands, a series ligand originally designed for MRI contrast and SPECT agents, were synthesized according to the properties of ligand bio-distribution, functional groups, coordination site and lipophilic. Then the structural and thermodynamic studies were done with the complexes between metal ion such as uranium(VI) and europium(III) (as americium/curium(III) analogue), and polyaminophosphonates ligands. The sphere of coordination of these cations was observed by UV-visible spectroscopy, TRLFS, FT-IR and Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFS). The affinity study was done with UV-visible spectroscopy. Finally, the UV-visible spectroscopy and TRLFS were used to test the stability of uranyl ligand complex with competition metal ion in biological conditions and to reveal the interactions between the ternary system, uranyl ion/ligand/calmodulin. These results allow to better understand the chemical affinity and possible chelation mechanism of the polyaminophosphonates ligands for the above actinides and therefore to promote the design of new chelation agents.

L'utilisation du plutonium (Pu(IV) pour des applications militaires et civiles peut engendrer des contaminations internes chez les personnes exposées. Plusieurs voies de contamination sont possibles : par ingestion, par inhalation ou par blessure. En cas d'inhalation, le plutonium se présente le plus souvent sous forme de particules d'oxyde de plutonium qui vont se localiser au sein des alvéoles pulmonaires. Par un mécanisme de phagocytose, les particules sont internalisées par les macrophages de l'épithélium pulmonaire. Actuellement, le seul agent de décorporation administré en cas de contamination au plutonium est le DTPA (l'acide diethylenetriaminepentaacetique). Il est administré en France sous forme de CaNa3-DTPA par injection intraveineuse et est efficace pour les contaminations par ingestion et par blessure. Les nanoparticules fonctionnalisées à base de polymères naturels sont un concept innovant de décorporation du Pu(IV) solubilisé dans les macrophages pulmonaires et ouvrent la voie au développement de nouvelles familles de décorporants. C'est dans ce contexte que deux stratégies ont été développées : des nanoparticules à base de N-trimethyl chitosan fonctionnalisées par le ligand DTPMP (l'acide diéthylènetriaminepentamethylene phosphonique) qui est l'analogue phosphonique du DTPA et des nanoparticules chélatantes à base de -cyclodextrines amphiphiles anioniques. Ce travail a consisté en la synthèse et la caractérisation des nano-objets puis de l'étude de leur complexation avec les actinides (Th/Pu) en utilisant la spectroscopie EXAFS. Et enfin, des tests préliminaires biologiques in vitro ont été réalisés. Les résultats obtenus, avec les nanoparticules à base de chitosan et de DTPMP montrent que les nanoparticules présentent des tailles et une stabilité compatible avec l’application visée. D’autre part, leur affinité pour les actinides (IV) (Th,Pu) est comparable à celle du chélatant de référence, le DTPA. Enfin, les tests, effectués sur deux lignées de macrophages montrent que les nanoparticules sont internalisées très rapidement et que la matrice polysaccharidique semble se dégrader, permettant le relargage du chélateur DTPMP au niveau des sites de rétention du Pu(IV). Cette thèse constitue un travail préliminaire au développement d'une nouvelle famille d’agents décorporants plus ciblés pour une contamination au plutonium par inhalation. / The use of plutonium (Pu(IV) for military and civil applications can lead to internal contamination. There are several possible routes of contamination: ingestion, inhalation or injury. In case of plutonium inhalation, the plutonium forms oxide particles that reach the pulmonary alveoli. Through a phagocytosis mechanism, the particles are internalized by the macrophages of the pulmonary epithelium and continue to exert their toxicity. Currently, the only decorporating agent administered in the event of contamination with plutonium is DTPA (diethylenetriaminepentaacetic acid). in France, it is administered as CaNa3-DTPA by intravenous injection. This standard is effective for contamination by ingestion and injury. However, it is not effective in case of contamination by inhalation. Functionalized nanoparticles based on natural polymers constitute an innovative concept for decorporating Pu(IV) solubilized in pulmonary macrophages and open the way for the development of new families of decorporants. We investigated two strategies: chitosan-based nanoparticles functionalized by the DTPMP (diethylenetriaminepentamethylene phosphonic acid) which is the phosphonic analog of DTPA and self-organized chelating β-cyclodextrin-based nanoparticles. This work was first focused on the synthesis and characterization of the nano-objects and then on the study of their complexation abilities with actinides (Th/Pu) using EXAFS spectroscopy. Finally, preliminary in vitro biological tests were carried out. Our obtained results with DTPMP and chitosan based nanoparticles showed that these aggregates exhibit size and stability compatible with the application. Furthermore, we demonstrate their affinity for the actinides(IV) (Th, Pu) is comparable to the reference DTPA. Finally, in vitro tests realized onto macrophages show that our nanoparticles are rapidly internalized through phagocytosis and that the polysaccharide matrix seems to undergo degradation which allows the DTPMP to be released and targeted right into the sequestration sites of Pu(IV). This work constitutes a first step in the development of new family of decorporating agents with a higher efficiency in case of plutonium contamination through inhalation.