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Lanthanide elements display many remarkable and exciting properties which explain their widespread use in a number of very important biomedical tools like efficient MRI contrast agents or luminescent probes for highly sensitive assays of bioanalytes amongst other fields of application. In this context, the aim of the present work was to prepare and characterize lanthanide complexes of two ligands that feature a linear or a macrocyclic chelating unit compactly grafted onto a 1,10-phenanthroline derived moiety (phenDTPA and PhenHDO3A). The ditopic nature of the ligands allows the selective incorporation of a d6 metal ion and a lanthanide one in close proximity. The resulting rigid heterobimetallic supramolecular species show useful properties and constitute potential MRI contrast agents or new luminescent compounds depending on the type of the lanthanide and transition metal ions employed: for example, the selfassembly process of gadolinium(III) chelates around an iron(II) ion brings a remarkable increase of their relaxivity, a key parameter for use in MRI. On the other hand, association of a ruthenium and and a near infrared emitting 4f ion like ytterbium(III) gives mixed d-f structures able to harvest visible light and convert it into near infra-red signal. Visible light luminescent pH probes were also obtained with Eu3+ or Tb3+ phenHDO3A complexes.

Les nanoparticules d’oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m².g-1 et agrégés en assemblages d’environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d’un fluorophore (0,48 RITC/nm²) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en « batch », des nanoparticules d’oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l’aide d’un procédé hydrothermal pouvant s’étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l’eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l’utilisation de base.La cytotoxicité et l’internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d’oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l’agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques. / Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m².g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm²) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections.

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Le travail présenté dans ce mémoire avait pour but de synthétiser de nouvelles molécules dont l’architecture donne accès à des complexes hétérobimétalliques aux propriétés intéressantes pour l’imagerie médicale multimodale. Dans ce manuscrit plusieurs points principaux ont donc été abordés. La première partie de se travail porte sur la synthèse et la caractérisation des ligands. Nous décrivons dans ce manuscrit la synthèse de cinq nouveaux ligands hétérobismacrocycliques basés sur l’association d’une porphyrine et d’un ou de plusieurs dérivés du cyclène. Ces ligands présentent la particularité d’être solubles en milieux aqueux. Au cours des synthèses, nous avons ciblé les améliorations à apporter à notre travail et élaboré une nouvelle voie de synthèse qui permet d’accéder, en seulement six étapes, à un ligand composé d’une porphyrine, d’un dérivé du cyclène et d’une fonction amine libre qui permettra de greffer le ligand sur un vecteur biologique. La seconde partie de ce manuscrit porte sur l’incorporation de centres métalliques dans les ligands synthétisés ainsi que l’étude de leur efficacité en tant qu’agent de contraste de l’IRM. Nous décrivons la synthèse de cinq complexes de gadolinium (III) et de trois complexes hétérobimétalliques associant du gadolinium (III) et du cuivre (II). En effet, le gadolinium est actuellement utilisé dans les agents de contraste de l’IRM et un des isotopes du cuivre, le cuivre-64, est utilisé en imagerie PET. Nous décrivons un protocole de mesure de la relaxivité des complexes à haut et à bas champs magnétiques. Cinq complexes présentent des valeurs de relaxivité quatre fois supérieures à celles des agents de contraste commerciaux de l’IRM. Le dernier chapitre de ce travail porte sur la synthèse, la caractérisation et les études photophysiques de quatre antennes moléculaires associant des porphyrines et des BODIPY. Nous avons développé deux voies de synthèses originales. La première est basée sur la création de liaisons bore-oxygène en substituant les atomes de fluor portés par l’atome de bore des BODIPY. L’autre voie de synthèse utilise la réaction de cycloaddition dipolaire d’Huisgen. Nous décrivons des études photophysiques qui mettent en évidence des transferts d’énergie du BODIPY vers la porphyrine Nous avons mis en évidence le premier exemple de transfert d’énergie d’une porphyrine vers un BODIPY grâce à un système “blue” BODIPY étendu couplé à des porphyrines par une réaction de chimie “click”. / The goal of my PhD thesis was to synthesize new molecules, which give access to heterobimetallic complexes with interesting properties for multimodal imaging. In this manuscript, several main points have been studied. The first part of this work concerns the synthesis and characterization of ligands. We describe here the synthesis of five new ligands based on the association of one porphyrin and one or several cyclen derivatives. Those ligands are water-soluble. During the synthesis, we have targeted improvements to our work and developed a new synthetic pathway, which allowed us to obtain one ligand incorporating a porphyrin, a cyclen derivative and a free amine function. This function could be activated to further graft the ligand onto a biological vector. The second part of this manuscript describes the chelation of metallic centers into the ligands and the study of their efficiency as MRI contrast agents. We describe the synthesis of five gadolinium (III) complexes and three heterobimetallic complexes associating gadolinium (III) with copper (II). Indeed, gadolinium is currently used in contrast agents for MRI and the radioactive isotope of copper, copper-64 is used in PET imaging. We describe also a procedure to measure the relaxivity of the gadolinium complexes at low and high magnetic fields. Five complexes exhibit relaxivity values five times larger than commercially available MRI contrast agents. The last part of this work is related to the synthesis, characterization and photophysical studies of four molecular antennas incorporating porphyrins and BODIPY. We describe two original synthetic pathways. The first one is based on the formation of boron-oxygen bonds by substitution of the fluorine atoms bound to BODIPY boron atom. The second synthetic pathway involves the Huisgen’s dipolar cycloaddition. We describe photophysical data and give evidences of the energy transfer from BODIPY to porphyrin. We present also the first example of energy transfer from porphyrin to BODIPY in the system obtained by “click” chemistry involving an extended “blue” BODIPY.