Les besoins actuels en produits de fertilisation et notamment pour le traitement des carences chez le végétal sont en constante augmentation. Cependant, de plus en plus soucieuse de l’environnement, les industries productrices de ces compléments alimentaires souhaitent proposées des solutions de traitements plus durables tant au niveau de leur production que de leur devenir une fois épandue dans la parcelle. Par ailleurs, il a été établi que les cellules végétales peuvent être considérées comme de vraies usines à molécules. Les hydroxyacides en C3 fabriqués par la machinerie cellulaire présentent par exemple de nombreuses propriétés de chélation et de transport. La présence de fonction hydroxyles et carboxyliques leur confèrent en effet la capacité de pouvoir enserrer des métaux et de permettre leur déplacement entre tous les compartiments des cellules, mais aussi entre les différents organes de la plante. Par ailleurs, la présence de ces mêmes molécules au sein des réactions biologiques (respiration, photosynthèse) font d’elles des métabolites assimilables et donc potentiellement dégradables. Les travaux de cette thèse ont donc eu pour objectif de mettre en place une catalyse chimio-enzymatique afin de produire les molécules les plus semblables aux hydroxyacides en C3 végétaux. Dans cette démarche de biomimétisme, nous avons mis au point un protocole de fabrication d’hydroxyacides à partir de glycérol et de carbonate de glycérol dans des conditions similaires au milieu vivant : dans l’eau, à des températures faibles et à pression atmosphérique. Nous avons ainsi réussi à synthétiser des hydroxyacides tel que l’acide glycérique, le 2-oxo1,3-dioxolan-4-carboxylique et l’hémiacétal du carbonate de glycérol. Les travaux de thèse ont également permis de mettre au point une méthode analytique complète pour la visualisation et la quantification de la majorité des hydroxyacides en C3 élaborés selon ce protocole opératoire. Cette méthode regroupe des techniques de caractérisations globales telles que l’Infra-rouge, l’HPLC, l’HPIC, et des analyses plus fines comme la LCMS de haute résolution et la RMN 1D et 2D. Nous avons par ailleurs optimisé la synthèse des hydroxyacides en C3 à partir du glycérol et du carbonate de glycérol grâce à la mise en place d’un plan d’expérience. Les molécules fabriquées présenteraient des propriétés de complexants susceptibles d’être utilisés en agronomie dans le but de remplacer les chélatants actuels issues de réactions plus polluantes de la pétrochimie et générant des substances nocives pour la santé des sols agricoles une fois appliqués.

Les besoins actuels en produits de fertilisation et notamment pour le traitement des carences chez le végétal sont en constante augmentation. Cependant, de plus en plus soucieuse de l’environnement, les industries productrices de ces compléments alimentaires souhaitent proposées des solutions de traitements plus durables tant au niveau de leur production que de leur devenir une fois épandue dans la parcelle. Par ailleurs, il a été établi que les cellules végétales peuvent être considérées comme de vraies usines à molécules. Les hydroxyacides en C3 fabriqués par la machinerie cellulaire présentent par exemple de nombreuses propriétés de chélation et de transport. La présence de fonction hydroxyles et carboxyliques leur confèrent en effet la capacité de pouvoir enserrer des métaux et de permettre leur déplacement entre tous les compartiments des cellules, mais aussi entre les différents organes de la plante. Par ailleurs, la présence de ces mêmes molécules au sein des réactions biologiques (respiration, photosynthèse) font d’elles des métabolites assimilables et donc potentiellement dégradables. Les travaux de cette thèse ont donc eu pour objectif de mettre en place une catalyse chimio-enzymatique afin de produire les molécules les plus semblables aux hydroxyacides en C3 végétaux. Dans cette démarche de biomimétisme, nous avons mis au point un protocole de fabrication d’hydroxyacides à partir de glycérol et de carbonate de glycérol dans des conditions similaires au milieu vivant : dans l’eau, à des températures faibles et à pression atmosphérique. Nous avons ainsi réussi à synthétiser des hydroxyacides tel que l’acide glycérique, le 2-oxo1,3-dioxolan-4-carboxylique et l’hémiacétal du carbonate de glycérol. Les travaux de thèse ont également permis de mettre au point une méthode analytique complète pour la visualisation et la quantification de la majorité des hydroxyacides en C3 élaborés selon ce protocole opératoire. Cette méthode regroupe des techniques de caractérisations globales telles que l’Infra-rouge, l’HPLC, l’HPIC, et des analyses plus fines comme la LCMS de haute résolution et la RMN 1D et 2D. Nous avons par ailleurs optimisé la synthèse des hydroxyacides en C3 à partir du glycérol et du carbonate de glycérol grâce à la mise en place d’un plan d’expérience. Les molécules fabriquées présenteraient des propriétés de complexants susceptibles d’être utilisés en agronomie dans le but de remplacer les chélatants actuels issues de réactions plus polluantes de la pétrochimie et générant des substances nocives pour la santé des sols agricoles une fois appliqués. / The current need for fertilization products, and particulary for the treatment of plant deficiencies, is constantly increasing. However, more and more environmentally concerned, industries producing these food complements aim at finding more sustainable treatment solutions both in preparing these substances and in controlling their degradation once on crops. Moreover, it is established that plant cells can be considered as true molecular factories. For example, the C3 hydroxy acids produced by the cellular machinery have many chelating and transport properties. The presence of hydroxyl and carboxylic functions give them the ability to enclose the metals and to allow their displacement through all the compartments of the cells and also through the different organs of the plant. Moreover, as they are involved in biological reactions (respiration, photosynthesis), these molecules can potentially be used in cellular metabolism or degraded. The work presented herein has been designed with the aim of producing the most similar hydroxy C 3 –acids’s plant molecules by establishing a chemo-enzymatic catalysis. Inspired by biological and chemical natural processes, we have developed a protocol for manufacturing hydroxy acids from glycerol and glycerol carbonate under natural conditions ie in water, at low temperature and at atmospheric pressure. We have also produced hydroxy acids such as glyceric acid, 2-oxo1,3-dioxolan-4-carboxylic acid and glycerol carbonate hemiacetal. The thesis also allowed us to develop a complete analytical method for the observation and the quantification of the majority of C3 hydroxy acids, produced according to our operating protocol. This method combines global characterization techniques such as HPLC, HPIC and more complex analyses such as HR-LCMS and 1D and 2D NMR. We have also optimized the synthesis of C3 hydroxyacids from glycerol and glycerol carbonate through the implementation of an experimental design. Our bioinspired molecules are potential complexing agents that could be used in agronomy, in order to replace the current chelating molecules obtained from petrochemistry, known for having harmful impact on agricultural soils.

Ce travail de thèse visait à développer une nouvelle famille de ligands de type bispidines pour la complexation du cuivre(II) en vue d’applications en tomographie par émission de positrons(TEP). En effet, le cuivre 64 est un radioélément dont l’étude dans le cadre de l’imagerie TEP est en plein essor. Les bispidines, quant à elles, présentent l’intérêt de posséder une structure rigide et pré-organisée permettant la complexation de nombreux métaux de transitions.Nous présentons ici la synthèse et l’optimisation de nouveaux ligands dont les propriétés structurales et physico-chimiques ont été étudiées. Un ligand a montré de très bons résultats puisqu’il possède tous les paramètres cinétiques et thermodynamiques nécessaires à un chélatant utilisé en imagerie TEP. Différentes voies de fonctionnalisation ont ensuite été étudiées afin d’obtenir divers chélatants bifonctionnels. Un ligand comportant une lysine a pu être couplé à une fonction maléimide (régiosélective des cystéines), à une biotine (possédant une forte interaction pour la streptavidine) ou encore à un motif Bodipy pour l’obtention d’une sonde bimodale (UV-visible et TEP). Enfin, nous présentons l’extension de cette famille de bispidines par l’augmentation du nombre de fonctions de coordination présentes ou encore par l’obtention de ligands tricycliques en vue de moduler la sélectivité de ces molécules. / This work aimed to develop a new family of bispidine-type ligands for copper(II) complexation with applications in Positron Emission Tomography (PET). Indeed, copper 64 is a radioelement whose study in PET imaging is booming. Bispidines have the benefit of having a rigid and preorganized structure for complexation of a large number of transition metals. In this work we present the synthesis and optimization of new ligands whose structural and physico-chemical properties have been studied. One ligand showed very good results because it possesses all of kinetic and thermodynamic parameters which are necessary for its application to PET imaging. Different strategies of functionalization have been studied to obtain bifunctional chelates. A lysine derivative has been coupled to a maleimide function (regioselective of cysteins), to abiotine (which displays a strong affinity for streptavidin) or to a Bodipy pattern for obtaining a bimodal probe (UV-visible and PET). Finally, we present an extension of this bispidine family by increasing the number of coordination functions or by synthesizing tricyclic compounds to modulate the selectivity of these molecules.

Ce travail de thèse avait pour objectif de développer de nouveaux chélatants du cuivre(II) de type bispidine pour des applications en Tomographie à Emission de Positrons. Le 64Cu est un radioisotope métallique dont les propriétés sont intéressantes pour la TEP. Les bispidines sont des chélatants dont la structure est préorganisée et rigide. Cette propriété confère au bispidine de bonnes propriétés de coordination vis-à-vis des métaux de transition, en particulier le cuivre(II). Ce travail présente le développement d’un ligand de type bispidine possédant un groupement phosphonate ainsi que le développement de bispidines permettant la synthèse de nouvelles familles de chélatants pour le cuivre(II). La bispidine phosphonatée a ensuite fait l’objet d’une étude physico-chimique par différentes techniques, révélant ainsi qu’elle possède les caractéristiques requises pour des applications en TEP. Le radiomarquage en présence de 64Cu a été étudié pour une sélection de plusieurs chélatants et montre le fort potentiel des ligands de type bispidine pour la complexation du 64Cu. Enfin, diverses stratégies de fonctionnalisation ont été étudiées pour l’obtention d’un chélatant bifonctionnel basé sur la bispidine phosphonatée. Ces stratégies démontrent la possibilité d’obtenir deux ligands bifonctionnels. De surcroît, deux plateformes bifonctionnelles peuvent faire l’objet de point de départ pour le développement de nouvelles familles de bispidines bifonctionnelles. / This PhD work aimed at developing new bispidine-based copper(II) chelating agents for applications in Positron Emission Tomography (PET). On one hand, 64Cu is a metallic radioisotope which possesses interesting properties for PET imaging and on the other hand, bispidines have a pre-organized and rigid structure. This property makes them good chelating agents for numerous transition metals, particularly copper(II). This work presents the development of a new bispidine-based ligand having a phosphonate pendant arm as well as the development of bispidines allowing the synthesis of new chelating agents for copper(II). The physico-chemical properties of the phosphonated bispidine were thoroughly studied by different techniques, showing that it would be adequat for PET applications. Radiolabeling experiments were also done in the presence of 64Cu for various bispidines and show the high potential of bispidine ligands for the complexation of 64Cu. Finally, several functionalization strategies were studied in order to get bifunctional chelates based on the phosphonated bispidines. This study proved the possibility to develop two bifunctional bispidines based on the phosphonated one and also it allowed us to develop two bifunctional bispidines as synthon for the synthesis of new families of bifunctional bispidines.

Les mécanismes de reconnaissance moléculaire sont à la base de nombreuses fonction biologiques essentielles (transduction du signal, régulation de l’expression génique, stimulation du système immunitaire,...). La compréhension des phénomènes physiques et chimiques à la base de ces phénomènes est fondamentale pour de nombreuses applications telles que la conception de médicaments, le développement d’outils diagnostiques ou tout autre procédé biotechnologique. Dans cette étude, nous avons étudié de manière extensive l’interaction entre la métalloélastase du macrophage (MMP-12) et le RXP470.1, un inhibiteur puissant et sélectif. En combinant des approches de cristallographie, de microcalorimétrie (ITC) et des tests enzymatiques, nous avons pu quantifier l’importance énergétique du transfert d’un seul proton suite à la liaison du RXP470.1, et mettre en lumière l’importance des contributions entropiques. Ainsi, la protonation du Glu219, un résidu catalytique, permet de compenser une enthalpie de liaison intrinsèque défavorable. Cette protonation est rendue possible par le large shift de pKa que subit le Glu219 en réponse à la liaison du RXP470.1 (pKalibre = 5.7 ± 0.1 / pKalié = 10 ± 0.04). Enfin, cette étude est la première, à notre connaissance, ayant combiné données d’affinité, thermodynamiques et structurales pour aborder le rôle du groupe chélatant. Nous avons ainsi étudié deux analogues du RXP470.1 variant seulement par la nature de leur pince à zinc. Ces modifications se traduisent par un effet marqué sur les profils d’affinité et de sélectivité ainsi que sur la signature énergétique des composés étudiés. L’étude des facteurs B, associés à l’analyse des structures cristallographiques, de ces inhibiteurs en complexe avec la MMP-12, suggère que des différences mineures de structures peuvent engendrer des variations de mobilité importantes au niveau des résidus impliqués dans l’interaction inhibiteur - enzyme. Ces différences trouvent leur origine dans un positionnement très légèrement différent du groupe chélatant par rapport au zinc.Pris dans leur ensemble, ces résultats pointent la nécessité de combiner un ensemble d’approches expérimentales pour décrire la complexité des interactions protéine/ligand. Ces associations doivent permettre d’évaluer le potentiel de méthodes théoriques capables de décrire des systèmes complexes. / Protein-ligand recognition mechanisms are essential to many fundamental biological functions such as signal transduction, gene regulation or stimulation of the immune system. Understanding the physical and chemical phenomenon upon protein-ligand binding is essential for many practical applications such as drug design, ligand based diagnostic tools and any other study based on biotechnology. In this study, we extensively explored the interaction between human macrophage metallo elastase MMP-12 and RXP470.1, a potent and selective inhibitor. By combining high resolution X-ray crystallography, FRET based enzyme assays and Isothermal Titration Calorimetry, we were able to highlight the importance of entropic contributions and to quantify the importance of a single proton transfer upon RXP470.1 binding. We show, here, how the protonation of Glu219 upon RXP470.1 binding rescues an otherwise unfavourable binding enthalpy. This protonation is made possible by the large pKa shift Glu219 undergoes as RXP470 enters MMP12h To our knowledge, this study is also the first to address the zinc binding group effect from affinity, thermodynamlc and structural data. We tested two RXP470 analogues, which only differ by their zinc-binding group. We show that this, apparently minor, change has great consequences regarding their affinity profiles and thermodynamic signatures. In addition, the analysis of the b factors, associated to the X-ray structures of these compounds in complex with MMP-12, suggests that small modifications of the zinc binding group might imply important mobility variations of the residues involved in the protein-ligand interaction. These modifications are initiated by a small shift of the zinc binding groups positioning in the active site.Taken together, these results point toward the necessity to combine several experimental approaches to describe the complexity of protein-ligand interactions. These associations should allow the evaluation of new theoretical methods able to describe complex systems.

Les polyazacycloalcanes sont largement utilisés pour l’élaboration de radiopharmaceutiques destinés à la médecine nucléaire. Ces structures, et plus particulièrement celles dérivées du cyclam, permettent une complexation idéale du cuivre et ainsi une application en imagerie TEP, avec l’utilisation du 64Cu, ou en radiothérapie grâce à l’isotope 67Cu. Le cyclam doit, en plus d’être N-fonctionnalisé par des bras coordinants, disposer d’une fonction supplémentaire permettant la bioconjugaison à une biomolécule pour un ciblage spécifique des cellules cancéreuses. Une première partie de cette thèse a porté sur la synthèse du cyclam monopicolinate C-fonctionnalisé par une fonction de bioconjugaison de type benzyle isothiocyanate. Cette synthèse, basée sur des travaux antérieurs du laboratoire, a nécessité la mise au point d’une méthode d’alkylation régiospécifique du cyclam C-fonctionnalisé par le biais de protections sélectives des atomes d’azote du macrocycle. Le ligand a ensuite été étudié in vitro et in vivo, par nos collaborateurs nantais du CRCINA, pour l’imagerie immuno-TEP du myélome multiple.La seconde partie de ce travail s’est consacrée à l’élaboration d’un dérivé polyfonctionnel du cyclam possédant deux fonctions permettant le ciblage des cellules tumorales. Ce composé a été synthétisé au sein du laboratoire brestois puis étudié, in vitro et in vivo, dans les locaux de la NECSA en Afrique duSud pour l’imagerie TEP du cancer du sein.Ces deux projets ont permis d’obtenir une preuve de concept en imagerie TEP ce qui confirme le potentieldes ligands dérivés de cyclam C-fonctionnalisés pour l’élaboration de radiopharmaceutiques à base de cuivre pour la médecine nucléaire. / Polyazacycloalkanes are wildly used in the conception of radiopharmaceuticals for nuclear medicine. These structures, and especially cyclam derivatives, provide ideal complexation properties of copper, which can be applied in nuclear medicine applications with the 64Cu isotope for PET imaging or with 67Cu for radiotherapy purpose. Cyclams derivatives have to be N-functionalized with coordinative arms, and moreover include an additional function especially introduced for the bioconjugation of a biomolecule in the aim to preferentially target cancer cells.The first project treated in this manuscript consisted of the synthesis of a monopicolinate cyclam C-functionalized with a benzyl isothiocyanate function for the bioconjugation. Based on precedent results obtained in the Lab, a regiospecific alkylation method has been developed for the synthesis of this ligand.This method implies the selective protection and deprotection of the macrocycle nitrogen atoms. This ligand, once obtained, has been studied in vitro and in vivo, by our collaborators of the CRCINA in Nantes, for multiple myeloma immuno-PET imaging.The second project of this work is dedicated to the conception of a radiopharmaceutical based on apolyfunctionnal cyclam which bear two different moieties allowing the targeting of cancer cells. This ligand has been synthesized in our Lab in Brest and studied, in vitro and in vivo, in the South African NECSA company for breast cancer PET imaging.These two projects were elaborated in the aim to obtain a proof of principle in PET imaging and to confirm the high potential of C-funcitonnalized cyclam derivatives for nuclear medicine applications.

L’imagerie moléculaire est devenue incontournable pour le diagnostic et le traitement de cancers. Cette discipline regroupe un ensemble de techniques telles que la tomodensitométrie (CT), l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), l’imagerie optique ou encore l’imagerie nucléaire (tomographie par émission de positons TEP, tomographie d’émission monophotonique TEMP). Chacune de ces techniques possède ses propres avantages et inconvénients et ne peut apporter à elle seule des informations anatomiques et fonctionnelles suffisantes. Les travaux actuels sont portés sur la conception de systèmes dits multimodaux afin de combiner les avantages de différentes techniques, voire de bénéficier d’un effet synergique. De par leur sensibilité comparable et leur complémentarité, coupler l’imagerie nucléaire à l’imagerie optique devient alors avantageux. La conception des systèmes monomoléculaires (MOMIA) contenant deux fonctions détectables par imagerie nucléaire (complexe de radiométaux) et imagerie optique (sonde fluorescente) nécessite en amont la mise au point d’outils de synthèses performants. La première partie de ce travail de thèse est consacrée à la synthèse d’agents chélatants bifonctionnels à base de polyamines macrocycliques, destinés à une utilisation en imagerie médicale. Ces agents doivent présenter d’excellentes propriétés de coordination vis-à-vis du métal visé, et posséder une fonction de greffage pour assurer le couplage avec une biomolécule vectrice. L’accès à de tels systèmes a nécessité le développement d’outils de synthèse efficaces de précurseurs macrocycliques dérivés du cyclène et du 13aneN4. L’introduction sélective de diverses fonctions de greffage visant principalement les résidus de type lysine a permis la préparation de plusieurs familles de composés, dont certains ont pu être « bioconjugués» à des peptides ou anticorps au sein du laboratoire ou dans le cadre de diverses collaborations. Plus particulièrement, la facilité d’utilisation du système « DOTAGA anhydride » a permis l’introduction aisée d’unités DOTA sur des nanoparticules ou des anticorps monoclonaux. Egalement, l’introduction d’une fonction alcyne a permis l’accès à de nouvelles briques moléculaires préparées par « click chemistry ». Dans une seconde partie sont présentés les travaux relatifs à la synthèse d’agents bimodaux originaux. Pour accéder à de tels systèmes, l’introduction d’un fluorophore de la famille des bodipys a été envisagée. L’absence de travaux antérieurs relatifs au couplage d’une polyamine cyclique et une entité bodipy a nécessité la préparation préalable d’un système modèle « DOTA bodipy », permettant de s’assurer par des études photophysiques que la présence des complexes métalliques macrocycliques ne va pas, ou peu, interférer avec les propriétés de fluorescence du bodipy. L’utilisation d’un espaceur « acide aminé » a alors permis d’accéder à de nouveaux bodipys porteurs de deux groupes fonctionnels en position méso. La fonctionnalisation a posteriori de ces briques de construction a permis l’introduction en dernier lieu d’unités macrocycliques N- et/ou C- fonctionnalisés. La préparation de système émettant dans le proche I.R. a été également envisagée. / Molecular imaging became a major tool for the diagnosis and the treatment of cancers. This research field includes different techniques, such as Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI), Optical Imaging or nuclear Imaging (PET Positron Emission Tomography, SPECT Single Photon Emission Computed Tomography). Each imaging modality has its own strengths and weaknesses, and thus, combining different and complementary systems can overcome inherent limitations associated with any one individual techniques and improve the accuracy of disease diagnosis and enhancing patient management. In particular dual-modality Optical/Nuclear imaging may find important preclinical and clinical applications. One possible approach seeks to fuse the two imaging systems into one molecule (MonOmolecular Multimodality Imaging Agent [MOMIA]) in order to ensure the same biodistribution of the two probes. Our strategy consists in combining a DOTA-like compound allowing complexation of radiometal for nuclear imaging (SPECT or PET) with a bodipy moiety, valuable probe those fluorescent properties can be finely adjusted. The first part of this work is dedicated to the synthesis of bifunctional chelating agents based on macrocyclic polyamines for medical imaging application. These compounds must show excellent coordination properties towards the aimed radiometal and possess a grafting function to allow the coupling with a biomolecule. Powerful and general routes for the synthesis of a wide range of N- and C-functionalized macrocycles derived from cyclen and 13aneN4 are described, which enable to access to a wide range of new BFCs by introduction of different functional groups reactive towards primary amines, such as carboxylic acid, isothiocyanate or anhydride function. Some compounds were conjugated to different biomolecules, such as peptides or antibodies. Morever, the introduction of an alkyne function yields a novel family of bifunctional agents allowing chemoselective attachment to functionalized biomolecules or to modified amino acids using « click chemistry ». In a second part, we focused on the introduction of a bodipy moeity to obtain new bimodal agents for dual Optical/Nuclear imaging. Interestingly, the attachment of the polyaminocarboxylate (DOTA derivative) to the bodipy makes it soluble in water and complexation of different metal cations of interest in the macrocyclic cavity does not significantly alter the luminescence properties of the whole system. In addition, the functionalization of the meso position by using an appropriate linker between the bodipy and DOTA-like units, i.e. a 4-nitrophenylalanine derivative, could provide a new bimodal tag for labeling antibodies or peptides. Optimisation of the second generation bodipy-DOTA, i.e. derivatization reaction to reach the near-IR range or introduction of C-functionalised macrocycles was also investigated.