Two-photon absorption is the process in which a molecule absorbs two photons simultaneously. The two key advantages of two-photon processes over one-photon processes are the possibility of excitation of materials with high three-dimensional spatial resolution and deep light-penetration into absorbing materials. Based on bond-cleavage reactions activated by photon-induced intramolecular electron transfer, two-photon activatable acid and radical initiators and two-photon removable protecting groups have been successfully designed and synthesized for photopolymerization and three-dimensional microfabrication and for biomedical photo-triggers. The optical and chemical properties of synthesized molecules, such as quantum yield of acid generation, initiation efficiency of photopolymerization, and photolysis efficiency, have been studied by using a variety of physical and analytical techniques under one-photon conditions. The two-photon characteristics and applications of these molecules are being investigated in collaboration with other groups.

Des sondes photoactivables (composés “cagés”) dérivées de la 2-hydroxyméthylène-diméthylaminoquinoléine, ont été préparées et testées pour une application en neurophysiologie. Ces sondes montrent une stabilité hydrolytique élevée et une faible fluorescence, avec des cinétiques de photofragmentation rapides sous irradiation UV (365 nm). Il en est également de même dans des conditions biphotoniques en IR proche (730 nm). Une optimisation de cette plateforme a été réalisée en modifiant la nature et la position des substituants du chromophore, en augmentant la conjugaison et en incorporant des éléments de symétrie C2 et S3, conduisant aux sondes dipolaires, quadrupolaires (dimériques) et octupolaires (trimériques) à haute sensibilité biphotonique ( < 2,50 GM). Les dérivés les plus efficaces ont été testés dans des expériences en neurophysiologie. Tandis que les dérivés de kaïnate sont suffisamment stables en solution aqueuse à pH 7,4 pour les expériences en conditions physiologiques, les dérivés de L-glutamate et GABA ont nécessité une connexion de type carbamate avec la plateforme photoactivable. Sans irradiation, les solutions « stock » de ces composés « cagés » (c = 200-300 µM) n’ont pas produit d’effets majeurs sur l'excitabilité des neurones à en juger par le manque d'effet sur l'activité neuronale ou de potentiels d’actions synaptiques spontanés provoqués par une dépolarisation. La photolyse en lumière blanche par pulses courts d’irradiation a permis la libération de substances actives en quantité suffisante pour produire de grands courants (jusqu’à 5 nA) dans les neurones de Purkinje. / Photosensitive molecular probes (‘caged’ compounds) derived from 2-hydroxymethylenedimethylaminoquinoline were prepared and tested for applications in neurophysiology. These compounds show high hydrolytic stability and low fluorescence, with fast fragmentation kinetics upon UV irradiation (365 nm), and under two photon photolysis conditions (730 nm). This platform was optimized by modifying the substitution pattern, increasing the conjugation length and incorporating C2 or S3 symmetry elements. Dipolar, quadrupolar (dimer) and octupolar (trimer) derivatives were thus synthesized and were found exhibiting high two-photon sensitivity ( < 2,50 GM). The most efficient probes were tested in neurophysiological experiments. While kaïnate derivatives are stable in aqueous solution at pH 7.4 in physiological conditions, L-glutamate and GABA derivatives required the use of a carbamate linker. Without irradiation, any major changes were observed on neuron excitability with “stock” solutions of these caged compounds (c = 200-300 µM), according to the lack of effects on neuron activity or action potentials evoked by depolarization. White light photolysis by short pulses generated sufficient active substances to induce large inward currents (up to 5 nA) in Purkinje neurons.

Les espaceurs auto-immolables sont des assemblages moléculaires inactifs permettant de découpler deux entités chimiques A (un groupe protecteur subissant une activation) et B (un composé d'intérêt, tel qu'un principe actif, un rapporteur ou un autre espaceur) par des liaisons covalentes. Sous l'effet d'un stimulus externe (activation), A est clivé spontanément lors d'un processus irréversible appelé auto-immolation, qui provoque la libération de l'espèce B. Cette dernière est généralement inactive lorsqu'elle est intégrée dans l'espaceur ; en revanche, une fois libérée, elle retrouve son activité intrinsèque.La cinétique du processus d'auto-immolation contrôle la corrélation spatio-temporelle existant entre l'activation et la libération de la substance active. L'objectif principal de ce travail a été précisément de fournir un ensemble complet de données permettant d'établir des relations structure/propriétés cinétiques fiables dans une série d'espaceur auto-immolable contenant une structure aromatique portant un substituant hydroxyle et s'appuyant sur un mécanisme impliquant une cascade électronique. Ainsi, nous avons utilisé un groupe photactivable et la lumière pour déclencher le processus d'auto-immolation d'une grande banque d'espaceurs auto-immolables, qui présentent un temps caractéristique d'auto-immolation s'étalant sur un large éventail d'échelle de temps (10-4-104s).Au cours de ce travail, nous avons également développé des espaceurs auto-immolables, qui libérent deux composés après activation. Ces systèmes ont été mis en ¿uvre pour répondre à l'analyse quantitative d'un substrat libéré par photodéprotection dans les systèmes biologiques. / Self-immolative spacers are inactive molecular assemblies decoupling two chemical entities A (a protecting group undergoing activation) and B (a compound of interest such as a drug, a reporter or another spacer) via covalent bonds. Under the effect of an external stimulus (activation), A is cleaved thus spontaneously initiating an irreversible process called self-immolation, which ultimately causes the release of the species B. The latter is usually inactive by binding on the spacer but, once released, it recovers its intrinsic activity. The kinetics of the self-immolation process controls the spatiotemporal correlation existing between activation and release of the active compound. Although many kinetic studies have been already reported on various series of self-immolative spacers, literature still lacked homogeneous information permitting comparative analysis of the kinetics of self-immolation. The major aim of this work was precisely to provide an extensive set of data drawing reliable structure property relationships in a series of self-immolative spacers containing an aromatic structure bearing a hydroxyl substituent and relying on a mechanism involving an electronic cascade. Thus we used a photactivable group and light to trigger the disassembly process of a large collection of self-immolative spacers, which exhibit self-immolation time varying over a wide range of time scale (10-4-104s). During this work, we also developed self-immolative spacers, which could release two compounds after a single activation. These systems have been implemented to address the quantitative analysis of a substrate released by uncaging in biological systems.

Mechanistische und kinetische Untersuchungen von komplexen zellulären Prozessen in situ sind in den vergangenen Jahren durch den Einsatz photoaktivierbarer Biomoleküle, sogenannter caged Verbindungen, möglich geworden. Bei den caged Verbindungen handelt es sich um photolabile inaktive Derivate von biologisch aktiven Molekülen, aus denen durch ultraviolettes Licht mit Hilfe einer photochemischen Reaktion die natürliche, biologisch aktive Substanz schnell freigesetzt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden caged Verbindungen von den Neurotransmittern Octopamin und Dopamin, dem Octopamin-Antagonist Epinastin, den Proteinsyntheseinhibitoren Emetin und Anisomycin, dem Protonophor CCCP und dem Riechstoff Bourgeonal hergestellt. Zur Synthese dieser caged Verbindungen wurden sowohl bekannte als auch verschiedene im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte photolabile Schutzgruppen mit einem (Cumarin-4-yl)methyl- bzw. einem 2-Nitrobenzyl-Gerüst eingesetzt. Entsprechende Syntheseverfahren wurden erarbeitet. Anschließend erfolgte eine umfassende physikalisch-chemische sowie photochemische Charakterisierung der erhaltenen caged Verbindungen. Dabei wurde besonders auf gute Löslichkeit in Wasser bei physiologischer Ionenstärke, schnelle und effiziente Photoreaktivität, hohe Extinktion bei Wellenlängen von 350-430 nm und gute solvolytische Stabilität bei geringer Toxizität der freigesetzten Schutzgruppe geachtet. Ein Schwerpunkt bei der photochemischen Charakterisierung bildeten die Untersuchungen zur Quantifizierung der 2-Photonen-Anregung, uncaging action cross-sections, der Cumarinylmethyl-caged Verbindungen, aufgrund ihrer Bedeutung für die Photofreisetzung von Biomolekülen, da die gleichzeitige Absorption von 2 IR-Photonen eine höhere dreidimensionale Auflösung und eine wesentlich tiefere Gewebepenetration erlaubt. Mit Hilfe von Kooperationspartnern wurden zeitaufgelösten Fluoreszenz- und IR-Messungen an verschiedenen (Cumarin-4-yl)methoxycarbonyl-caged Modellverbindungen durchgeführt, mit denen die Geschwindigkeitskonstanten k1 und kdecarb des Photolysemechanismus ermittelt wurde. Am Ende folgten die Anwendungserprobungen ausgewählter caged Verbindungen in einem Translationsassay bzw. in Zelluntersuchungen. / In the last years mechanistic and kinetic in situ studies of complex cellular processes become possible by employing photoactivate Biomolecules, also called caged compounds, as a tool for these studies. Caged compounds are photolabile inactive derivates of biologic active molecules which are fast laid off the nature biologic active molecule by a photochemical reaction which was triggered by UV-light. In the present dissertation caged compounds of the neurotransmitters octopamine and dopamine, of the octopamine antagonist epinastine, of the proteine synthesis inhibitors emetine and anisomycine, of the ionophore CCCP and of the odorus substance Bourgeonal are synthesized. As precursors for the synthesis of that caged compounds some reported and several in these work newly developed photolabile protecting groups with (coumarin-4-yl)methyl- or 2-nitrobenzyl-scaffold were used. Corresponding Synthesis were designed. Afterwards the received caged compounds were global physical-chemical and photochemical characterised. In favour it was specifically valued for highly water solubility at pH 7,2, fast and efficient photo reactivity, high extinctions at wavelength 350-430 nm, well solvolytic stability and less toxicity of the redundant protecting groups. One key aspect of photochemical characterisation were the studies of uncaging action cross-sections of the coumarinylmethyl-caged molecules, because of their relevance for the photorelease of biomolecules in tissues. The simultaneous absorption of 2 IR-photons allowed highly three-dimensional release and a essentially deeper penetration in tissues. With the aid of co-operation partners were time-released fluorescence- and IR- measurements with several (coumarin-4-yl)methoxycarbonyl-caged molecules realised and therefore the rate constant k1 und kdecarb of the photolyse mechanismus were determined. At the end of the dissertation the achieved caged compounds were testet in translation assays and several cell cultures.