La thérapie photodynamique est fondée sur l’activation sélective par la lumière de médicaments appelés photosensibilisateurs. Non toxique en l’absence d’excitation lumineuse, le photosensibilisateur est capable, une fois excité, de transférer son énergie pour former de l’oxygène singulet qui induit la mort de la cellule. L’utilisation d’une excitation biphotonique offre de nouvelles perspectives pour la thérapie photodynamique du cancer. En effet, la dépendance quadratique de l’absorption à deux photons (ADP) avec l’intensité du laser permet une très grande sélectivité spatiale, ce qui rend possible un traitement plus sélectif des tumeurs, et la lumière infra-rouge utilisée permet le traitement de tumeurs plus profondes. Dans ce travail, nous avons développé une famille de nano-objets tout organiques pour la thérapie photodynamique biphotonique. Ils présentent des sections efficaces d’ADP très élevées dans la gamme spectrale d’intérêt biologique et leur efficacité a été démontrée in vitro. / Photodynamic therapy is based on the selective activation by light of drugs called photosensitizers. Non-toxic in the absence of excitation light, the photosensitizer is able, upon excitation, to transfer energy to produce singlet oxygen, which induces cell death. Two-photon excitation offers new perspectives for photodynamic therapy of cancer. Indeed, the quadratic dependence of two-photon absorption (TPA) with the laser intensity allows high spatial selectivity, which enables a more selective treatment of tumors, and the use of infrared light allows treatment of deeper tumors. In this work, we have developed a family of fully organic nano-objects for two-photon photodynamic therapy. They exhibit very high TPA cross-sections in the biological spectral range of interest and their efficiency has been demonstrated in vitro.

Des nanoparticules (NPs) organiques photochromes (par réaction de cyclisation/cycloréversion entre une forme ouverte et une forme fermée) de diaryléthènes (P1 et PF1) ont été fabriquées par photofragmentation laser. La caractérisation des tailles et des propriétés photophysiques ont été effectuées par microscopie et spectroscopie (absorption UV-visible, DLS, AFM, MEB). Pour P1, l'influence de la fluence du laser et de la température sur la taille des NPs a été démontrée. Egalement, la compétition entre le photochromisme et la photofragmentation a été mise à profit pour contrôler la photofragmentation laser par la réaction photochrome. Une exaltation du rendement quantique de la réaction de cycloréversion par l'absorption à deux photons successifs a été montrée en solution. Dans le cas des NPs, la présence d'un processus d'annihilation S1-S1 accentue cette exaltation. Concernant PF1, la dépendance en longueur d'onde d'excitation du rendement quantique de cycloréversion en solution a été démontrée et plusieurs conformations de la forme ouverte ont été identifiées. Les NPs de PF1 sont apparues comme un bon compromis entre la phase solide (fluorescente, non photochrome) et la solution (peu fluorescente, photochrome) : elles permettent une photocommutation efficace de la fluorescence. Une dépendance en taille des rendements quantiques de cyclisation/cycloréversion et des propriétés de fluorescence a été observée dans le cas des NPs. Le transfert d'énergie intermoléculaire au sein des NPs permet d'amplifier l'extinction de fluorescence lors de la réaction photochrome. Ces résultats apportent des perspectives dans le stockage d'informations numériques de haute densité.

Des nanoparticules (NPs) organiques photochromes (par réaction de cyclisation/cycloréversion entre une forme ouverte et une forme fermée) de diaryléthènes (P1 et PF1) ont été fabriquées par photofragmentation laser. La caractérisation des tailles et des propriétés photophysiques ont été effectuées par microscopie et spectroscopie (absorption UV-visible, DLS, AFM, MEB). Pour P1, l'influence de la fluence du laser et de la température sur la taille des NPs a été démontrée. Egalement, la compétition entre le photochromisme et la photofragmentation a été mise à profit pour contrôler la photofragmentation laser par la réaction photochrome. Une exaltation du rendement quantique de la réaction de cycloréversion par l'absorption à deux photons successifs a été montrée en solution. Dans le cas des NPs, la présence d’un processus d'annihilation S1-S1 accentue cette exaltation. Concernant PF1, la dépendance en longueur d’onde d’excitation du rendement quantique de cycloréversion en solution a été démontrée et plusieurs conformations de la forme ouverte ont été identifiées. Les NPs de PF1 sont apparues comme un bon compromis entre la phase solide (fluorescente, non photochrome) et la solution (peu fluorescente, photochrome) : elles permettent une photocommutation efficace de la fluorescence. Une dépendance en taille des rendements quantiques de cyclisation/cycloréversion et des propriétés de fluorescence a été observée dans le cas des NPs. Le transfert d’énergie intermoléculaire au sein des NPs permet d’amplifier l’extinction de fluorescence lors de la réaction photochrome. Ces résultats apportent des perspectives dans le stockage d'informations numériques de haute densité. / Nanoparticles (NPs) of organic photochromic (cyclization/cycloreversion reaction between open and closed forms) materials (P1 and PF1) were prepared by the laser ablation method. Their size and their photophysical properties were investigated by microscopy and spectroscopy methods (UV-visible absorption, DLS, AFM, SEM). Regarding P1, the influence of the laser fluence and the temperature on the NPs size was evidenced. The competition between photochromism and ablation process was used to control the NPs formation by photochromism. An enhancement of the cycloreversion reaction occurred, via a stepwise two-photon absorption. In addition, in NPs, S1-S1 annihilation led to a further enhancement. Concerning PF1, a thorough study, involving quantum yields determination and DFT calculations was made. The cycloreversion quantum yield in solution shows an excitation wavelength dependence and several conformations of the open form were identified. NPs of PF1 were also prepared, and behave as a balanced trade-off between bulk (fluorescent, non photochromic) and solution (weakly fluorescent, photochromic): they allow an efficient photoswitching of the fluorescence. NPs size dependence of the cyclization/cycloreversion quantum yields and fluorescence properties was evidenced. The intermolecular energy transfer processes within the NPs enhances the fluorescence quenching during the photochromic reaction. These results are aimed to bring new perspectives results in the field of high-density digital information storage.

Les ions lanthanides possèdent des propriétés photophysiques particulières, qui ont suscité une forte attention dans le développement de sondes biologiques luminescentes. En effet, les avantages que présentent leurs émissions en raies fines et caractéristiques, ainsi que leurs temps de vie de luminescence longs, permettent diverses applications en imagerie. Cependant, le faible coefficient d’absorption molaire de ces éléments conduit à préférer une excitation par le biais d’une antenne capable de transférer l’énergie au métal.Par ailleurs, l’utilisation de l’absorption biphotonique a montré de nombreux avantages, puisqu’elle permet une excitation de la molécule à une longueur d’onde deux fois plus grande que l’excitation à un photon : cette longueur d’onde peut alors se situer dans la fenêtre de transparence biologique (650 - 1100 nm).Les travaux de cette thèse visent à combiner les avantages des lanthanides avec ceux de l’excitation biphotonique. Les complexes synthétisés sont basés sur une plateforme triazacyclononane substituée par des antennes à deux-photons. Leurs propriétés spectroscopiques à un photon ont été étudiées, et ont alors permis de réaliser des images cellulaires en multiplexing à deux photons utilisant Eu3+ et Tb3+. Des sondes biphotoniques de brillance optimisée ont également été obtenues pour Sm3+, Tb3+ et Dy3+, et appliquées à l'imagerie. L’étude approfondie d’un des complexes de terbium(III) a de plus mis en évidence sa sensibilité à la viscosité. L’analyse des propriétés spectroscopiques de cette sonde a permis d'en rationaliser le comportement photophysique, ouvrant ainsi la voie à des applications originales en imagerie fonctionnelle. Enfin, nous avons montré une internalisation rapide de complexes de lanthanide cationiques de type cyclen ou cyclam par des cellules vivantes, et l'étude de ces nouvelles structures offre de nouvelles perspectives dans le développement de bio-sondes de lanthanides. / Lanthanide ions demonstrate peculiar photophysical properties that has attracted a substantial attention in the development of luminescent bioprobes. Indeed, the advantages stemming from their sharp and characteristic emissions, as well as their long luminescence lifetimes, enable various imaging applications. However, the weak molar extinction coefficient of these elements results in a preferential excitation through an antenna, which transfers its energy to the metal.On the other hand, biphotonic absorption showed numerous advantages, since excitation of a molecule can be achieved at a wavelength twice as high as using one-photon excitation. This wavelength may therefore reach the optical transparency window (650 - 1100 nm).The work carried out during this PhD thesis aims at combining the advantages of lanthanides with those of biphotonic excitation. The synthesized complexes are based on a triazacyclononane platform substituted with two-photon antennae. Their one-photon spectroscopic properties have been studied, and enabled to perform two-photon multiplexed cellular imaging, using Eu3+ and Tb3+. Biphotonic probes with an optimized brightness have been obtained for Sm3+, Tb3+ and Dy3+, and applied to cell imaging. The thorough study of one of the terbium(III) complexes has moreover displayed evidence of a sensitivity towards viscosity. Analyzing the spectroscopic properties of this probe has therefore allowed to rationalize its photophysical behavior, paving the way for original functional imaging applications. Lastly, a rapid internalization of cationic lanthanide complexes with a cyclen or cyclam framework by living cells has been proved. Thus, the study of these new structures presents new perspectives for the development of lanthanide bioprobes.

L’objectif de cette thèse a été de synthétiser, caractériser et évaluer l’efficacité de photosensibilisateurs (PS) activables par excitation mono- et bi-photonique pour la thérapie photodynamique (PDT). Les PSs sont des dérivés de porphyrines qui ont été associés à différents composés incluants des sondes d’imagerie, des vecteurs, ou des nanoparticules, dans le but d’améliorer l’efficacité du traitement. Un PS a ainsi été relié à deux complexes de Gd(III) pour former un agent moléculaire théranostique afin de pouvoir suivre l’évolution de la PDT par imagerie par résonance magnétique (IRM). Cet agent théranostique conserve les bonnes propriétés photophysiques du PS et sa relaxivité remarquable permet l’imagerie à des concentrations plus faibles que les agents de contraste commerciaux. L’association d’un PS avec un vecteur, l’acide folique ou la biotine, a permis d’augmenter la sélectivité envers les cellules cancéreuses. L’augmentation de la phototoxicité envers des cellules HeLa pour ces deux PSs par rapport au PS non vectorisé montre le potentiel de ces deux PSs vectorisés pour la PDT par excitation mono et bi-photonique. Enfin, plusieurs PS ont été liés ou incorporés dans des cubosomes pour améliorer leur biodistribution et leurs phototoxicités ont été étudiées. Ces études montrent pour la première fois la possibilité d’utiliser des cubosomes comme formulation pour les PSs. / The aim of this thesis was to synthesize, characterize and evaluate the efficiency of new photosensitizers (PS) for Photodynamic Therapy (PDT) activated by a one- or two-photon absorption. Theses PSs are composed of π-extended porphyrins linked to imaging probes, targeting moieties or nanoparticles to improve the treatment efficiency. A PS was linked to two Gd(III) complexes to form a molecular theranostic agent allowing the monitoring of the PDT outcome by Magnetic Resonance Imaging (MRI). This molecular theranostic agent retains the good photophysical properties of the PS and its high relaxivity allows the imaging at a lower concentration than the commercial contrast agents. In order to increase the selectivity towards cancer cells a PS was linked to folic acid or biotin, two targeting compounds. The increase of the phototoxicity towards HeLa cells of these two targeted PSs compared to a non-targeted PS reveals the potential for one- and two-photon PDT. Finally, several PSs have been linked to cubosomes to increase the biodistribution and their phototoxicity has been investigated. This study shows for the first time that cubosomes can be used as a formulation for PSs.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine émergent du « théranostique » qui associe le diagnostic par l’imagerie à la thérapie au sein d’un même système. De nouveaux photosensibilisateurs (PS) pour la thérapie photodynamique (PDT) activables par un processus d’excitation biphotonique ont été synthétisés. Ils sont composés de porphyrines reliées à des unités dicétopyrrolopyrroles. Ces systèmes présentent d’importantes valeurs de sections efficaces d’absorption biphotonique dans le proche infra-rouge ainsi que de bons rendements quantiques de formation d’oxygène singulet. Deux PS ont ensuite été reliés à des complexes de Gd(III) permettant d’apporter la fonction d’imagerie par résonance magnétique (IRM). En plus de conserver de bonnes propriétés d’absorption biphotonique, ces systèmes présentent également de remarquables valeurs de relaxivité. Enfin, des études de phototoxicité in cellulo ont démontré l’activité d’un des agents théranostiques sous irradiation biphotonique. Ces résultats permettent de valider pour la première fois le concept d’un agent moléculaire unique pour la PDT par absorption biphotonique et pour l’IRM. / The work presented in this thesis belongs to the emerging field of « theranostic » whose aim is to combine a diagnostic and a therapeutic agent within the same system. New photosensitizers (PS) activated by a two-photon absorption process for Photodynamic Therapy (PDT) have been synthesised. These systems consist of porphyrins conjuguated to diketopyrrolopyrrole units. These compounds have significant high two-photon absorption cross-sections in the near infrared and good singlet oxygen quantum yields. Two PS have been linked to Gd(III) complexes in order to bring the magnetic resonance imaging (MRI) function. These systems still have good two-photon absorption properties and also show remarkable high relaxivity values. Finally, in cellulo phototoxicity studies have been performed for one of the theranostic agent and the two-photon PDT activity has been retained. These results validate, for the first time, a proof of concept of a single molecular agent for two-photon PDT and for MRI.