Le développement de nouvelles réactions de ligation sélectives, capables de former des liens covalents dans des milieux complexes, est en plein essor depuis une dizaine d’années. Malgré de nombreux efforts, peu de réactions chimiques répondent aux critères de bioorthogonalité et la cycloaddition alcyne-azoture est devenue une réaction bioorthogonale essentielle à la fois pour les chimistes mais aussi pour les biochimistes.Le but de ce travail a été d’améliorer la cinétique de la réaction de cycloaddition alcyne-azoture catalysée par le cuivre, de façon à pouvoir réduire au maximum la quantité de cuivre nécessaire à la réaction et donc son éventuelle toxicité, notamment sur les cellules. Les efforts de recherche menés par de nombreux groupes dans le monde ont porté sur l’augmentation des capacités catalytiques du cuivre (I) par complexation avec des ligands appropriés. Dans un premier temps, à partir de ces résultats, une nouvelle série des ligands du cuivre a été développée au laboratoire et testée dans des milieux aqueux et biologiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à une nouvelle stratégie qui consiste à concevoir et synthétiser des azotures chélatants du cuivre. Ces azotures servent à la fois de ligands et de réactifs, et permettent d’accélérer considérablement les vitesses de réaction de la cycloaddition alcyne-azoture en milieu aqueux et en milieu complexe. Ces azotures ont été évalués pour des applications de « fishing » dans lysats cellulaires et sur cellules vivantes. / To improve the kinetic of the CuAAC (Copper Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition) reaction and to overcome the problems of cytotoxicity of copper which preclude many applications in bioconjugation, recent research efforts have focused on the use of appropriate ligands in combination with copper. Indeed, certain ligands can be added to the reaction solution to bind copper, accelerate reaction, prevent the disproportion and slow down the oxygen reaction. During the first part of my PhD, we have synthesized a new library of ligands bearing amines as specific complexing sites for copper. These libraries of ligands were tested on the CuAAC reaction in diluted aqueous media and in complex media through the use of a fluorogenic assays. Ligands developed in the laboratory were compared with known ligands for the CuAAC, described in the literature. In a second part, we envisioned another strategy to accelerate the kinetics of the CuAAC. For that purpose, we synthesized new azides bearing copper complexation sites by introducing in their structure a copper chelating moiety. Those different azides have been tested in the CuAAC reaction with the help of fluorogenic assays, in diluted aqueous media and in cell lysate. Best chelating azides were tested also in “fishing” experiments of proteins in cell lysate and in cells.

Les travaux de cette thèse sont consacrés principalement à l'optimisation d'une méthode de remédiation électrocinétique (EK) comme une technologie appropriée pour le traitement de sédiments de dragage de faible perméabilité hydraulique et multi-contaminés (en éléments traces (ET), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et polychlorobiphényles (PCB)). Cette étude porte également sur l’effet du traitement EK sur l’évolution de la toxicité des sédiments. Après une revue bibliographique, une seconde partie a été dédiée aux méthodes d’analyse des contaminants, avec un focus sur leur extraction de la matrice sédimentaire ; ainsi, une nouvelle méthode d’extraction par dispersion de la matrice solide (MSPD) a été développée, pour une extraction rapide et simultanée des HAP et de PCB et une purification de l’échantillon, qui s’est avérée plus efficace que la méthode d’extraction assistée par micro-ondes (MAE). Plusieurs études expérimentales (à différentes échelles) de remédiation électrocinétique ont été décrites dans une troisième partie ; ces études ont été menées sur un sédiment reconstitué ou des sédiments de dragage portuaire. De nombreuses combinaisons de tensioactifs et d’agents chélatants ont été testées comme agents d’amélioration pour abaisser simultanément la concentration en métaux (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) et des HAP/PCB. Le choix a été effectué en raison notamment de leur faible toxicité potentielle, en vue de pouvoir les appliquer ultérieurement pour une restauration sur site : (bio)surfactants (Rhamnolipides, Saponine et Tween 20) combinés avec des agents chélatants (acide citrique (CA) et EDDS). Les résultats obtenus montrent que les métaux (à l'exception de Cr) sont difficiles à extraire de ces sédiments de dragage portuaire à caractère réducteur, qui présentent une capacité tampon élevée, une perméabilité hydraulique très faible et une teneur en matière organique élevée. En revanche, les HAP et les PCB fournissent de meilleurs taux d'abattement (29,2% et 50,2%, respectivement). Dans une quatrième partie, l'efficacité du procédé EK a également été évaluée à travers l’évolution de la toxicité aiguë des sédiments traités sur les copépodes E. affinis exposés aux élutriats de sédiments. Les résultats ont montré que l'utilisation de CA,des biosurfactants et du Tween 20 n'a pas eu d'impact significatif sur la toxicité des sédiments traités. Cependant, les copépodes E. affinis étaient sensibles aux faibles valeurs de pH et aux conditions très oxydantes, ainsi qu’à la présence de Cu et, dans une moindre mesure, de Pb, à condition toutefois qu’ils soient rendus plus mobiles et biodisponibles. En revanche, la toxicité a été peu et même négativement corrélée aux concentrations des HAP et des PCB après le traitement EK, probablement en raison de la production de métabolites oxydés des HAP et des PCB, plus toxiques que les composés natifs. / This thesis research is mainly devoted to the optimization of an electrokinetic (EK) remediation process as a promising technology for treating multi-contaminated (trace metals, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorobiphenyles (PCBs)) dredged harbor sediments of low permeability. This study is also investigating the effect of the EK treatment on the evolution of sediment toxicity. After a bibliographic review, asecond part of this study was dedicated to the analytical methods carried out for the characterization of the sediment and its contaminants, particularly to their extraction from the sediment matrix; thus a new extraction method, through matrix solid phase dispersion (MSPD) was developed, for a fast and simultaneous extraction of both PAHs and PCBs, and a sample purification.MSPD appeared more efficient than the microwave assisted extraction (MAE) method. Thereafter many EK experiments (at different scales) were described in a third part. EK remediation tests were performed using a spiked model sediment or natural harbor dredged sediments. Many combinations of surfactants and chelators were tested as EK enhancing agents for decreasing simultaneously metal (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) and PAH/PCB levels. Their choice was done because of their possible low toxicity with a view to use them for future site restoration: (bio)surfactants (rhamnolipids, saponin and Tween 20) combined with chelators (citric acid (CA) and EDDS). The results showed that metals (except Cr) were difficult to remove from this kind of dredged sediment owing to its reductive character, to its high buffering capacity, to its very low hydraulic permeability and to its high organic matter content. However PAHs and PCBs showed better removal levels (29.2% and 50.2%, respectively). In a fourth part, the efficiency of the EK process was also assessed by measuring the evolution of the acute toxicity of the treated sediment on E. affinis copepods exposed to sediment elutriates. The results showed that using CA, biosurfactants or Tween 20 as enhancing agents did not significantly impact the toxicity of the treated sediment. However, E. affinis copepods were significantly sensitive to low pH values and oxidative conditions, to Cu, and to a lesser extent to Pb amounts, if they were transformed in more mobile and bioavailable forms. In contrast, acute toxicity was only slightly and even negatively correlated to PAH and PCB amounts after EK treatment, probably due to the production of oxidized metabolites of PAHs and PCBs, more toxic than the parent compounds.

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.

La voie non-mévalonate est fortement présente chez les plantes et les bactéries mais est absente chez les mammifères. C'est pourquoi inhiber la synthèse des isoprénoïdes et identifier un inhibiteur de cette voie enzymatique contribuera grandement à la recherche de nouveaux antibiotiques, antifongiques et herbicides. Les propriétés uniques de la 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomérase (DXR), l'enzyme centrale de cette voie enzymatique, en font une cible très intéressante pour la synthèse de nouveaux composés. La Fosmidomycine agit comme un inhibiteur de la DXR et reste aujourd'hui, avec son homologue acétylé FR90098, la référence en termes d'inhibiteur même si de nombreux efforts ont été faits pour la synthèse d'analogues depuis plusieurs années comme expliqué dans le premier chapitre avec la mise en relation de la structure des composés et leur activité. L'analyse de la diffraction des rayons X de la DXR avec la Fosmidomycine où le substrat naturel montre que la fonction phosphonate ou phosphate interagit avec une poche polaire hautement spécifique dans le site actif de l'enzyme permettant peu de modifications. Par comparaison, la fonction acide hydroxamique qui chélate le cation de l'enzyme offre la possibilité de modifications par l'introduction d'autres fonctions complexantes. Dans ce contexte, de nombreuses modifications comme l'introduction de fonctions carbamoylphosphinate, amidoxime, N-hydroxyurée et dérivées d'uraciles comme unités complexantes ont été synthétisées pour trouver des nouvelles familles d'inhibiteurs de la DXR. Toutes ces fonctions possèdent des propriétés de chélation intéressantes. En effet, elles ont déjà conduit à de puissants inhibiteurs de différentes métalloenzymes. / The non-mevalonate pathway is highly present in higher plants, protozoa and bacteria but as no equivalent in mammals. That is why shut down isoprenoid biosynthesis and identify a non-mevalonate pathway inhibitor would greatly contribute to the search for safer antibiotics, antimalarials and for our concern herbicides. The unique properties of the 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase (DXR), the central enzyme of this pathway, make it a remarkable and attractive target for drug design. Fosmidomycin acts as an inhibitor of DXR and still remains, along with its N-acetyl homologue FR90098, one of the most potent inhibitor ever known even if extensive work on the development of Fosmidomycin analogue derivatives have been developed since the last decade as demonstrated in the first chapter with the development of a structure activity relationship of all the potential inhibitors of this enzyme already reported in the literature. The X-ray diffraction analysis of the co-crystals of DXR and Fosmidomycin or substrate shows that the phosphonic/phosphate group interacts with a highly specific polar pocket in the enzyme site, allowing only few structural modifications. By contrast, the cation chelating subunit represented by the hydroxamic acid function offers fine tuning possibilities for the complexation abilities as well as potential secondary interactions with the NADPH cofactor or directly with the enzyme. In this context, several modifications such as the introduction of carbamoylphosphinate, amidoxime, N-hydroxyurea and uracil complexing subunits have been made in order to find new families of DXR inhibitors. All of these functions show promising chelation capabilities as they already led to potent inhibitors of different metalloenzymes.

Le 1,4,7-triazacyclononane (tacn) fait partie de la famille des polyazamacrocycles et a la faculté, lorsqu’il est N-fonctionnalisé par des groupements coordinants adéquats, de former des complexes de coordination stables thermodynamiquement et inertes cinétiquement avec les métaux de transition. C’est pourquoi les dérivés du tacn trouvent de nombreuses applications dans de nombreux domaines, par exemple celui de l’imagerie médicale. Notre équipe a développé des ligands N-fonctionnalisés par des groupements picolinate et méthylpyridine pour des applications en imagerie TEP et IRM.Le premier travail de cette thèse porte sur l’élaboration de nouvelles sondes bimodales TEP-imagerie optique et IRM-imagerie optique à motifs issus de tacn-picolinate décrits au laboratoire.Une seconde partie est axée sur la synthèse de nouveaux chélates du Cu(II) à base de tacn portant des bras méthylthiazole pour une potentielle application en imagerie TEP. Les complexes de Cu(II) correspondant ont été étudiés par différentes méthodes analytiques et spectroscopiques afin de juger leurs stabilités thermodynamiques et leurs inerties cinétiques.Les chélatants répondant aux critères imposés par le milieu biologique ont été sélectionnés pour une application en imagerie TEP dans le cadre du cancer de la prostate. Des analogues bifonctionnels ont ainsi été élaborés afin de les incorporer dans des radiopharmaceutiques radiomarqués au cuivre-64. / The 1,4,7-triazacyclononane (tacn) is part of the family of polyazamacrocycles, and has the faculty, when appropriately N-functionalized with coordination pendants, to form thermodynamically stable and kinetically inert coordination complexes with transition metals. Thanks to their properties tacn derivatives can be found in numerous applications such as medical imaging. Our group has developed some ligands N-functionalized with picolinate and picolyl pendants for an application in PET imaging and MRI.The first part of this thesis is focused on the development of a new class of bimodal PET-optical imaging and MRI-optical imaging probes based on tacn-picolinate units described in the laboratory.The second part deals with the synthesis of new Cu(II) chelators based on tacn-methylthiazolyl units for a potential application in PET imaging. The corresponding Cu(II) complexes were studied by different analytical and spectroscopic methods in order to evaluate their thermodynamic stabilities and kinetic inertness.The chelators that fullfiled all the criterias imposed by the biological media were selected for an applicationPET imaging of prostate cancer. Some bifunctional analogues were elaborated so as to incorporate them in radiopharmaceuticals radiolabeled with copper-64.

L'objectif de ce travail de thèse était de développer des outils pour détecter et traiter le cancer àun stade précoce. Nous avons donc entrepris la synthèse de nouveaux radiopharmaceutiques ciblantspécifiquement le récepteur CXCR4, en utilisant le savoir-faire et l'expertise de notre groupe dans lasynthèse et la fonctionnalisation des polyazacycloalcanes. Nous avons travaillé simultanément surdeux aspects : l'agent chélatant et la molécule vectrice.Dans un premier temps, les travaux ont concerné la conception, la synthèse et la caractérisationde nouveaux macrocycles à fort potentiel pour la chélation du cuivre et du gallium. Nous avons toutd'abord développé une nouvelle voie de synthèse permettant d'accéder à des dérivés homocyclènesC-functionnalisés. Nous nous sommes ensuite intéressés aux dérivés du 1,4,7-triazacyclononane(TACN). En optimisant une voie de synthèse déjà développée au laboratoire, nous avons facilitél'accès à des dérivés TACN N- et C-fonctionnalisés. Nous avons ainsi préparé une série denouveaux agents chélatants bifonctionnels adaptés pour la complexation du cuivre ou du gallium, envariant la nature de la fonction de greffage et des bras coordinants. Nous avons également réalisé lasynthèse de nouveaux cryptands en série cyclène et nous avons étudié leur propriété decomplexation vis à vis du cuivre.Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle famille d'agents imageants duCXCR4 en modifiant la structure des AMD3100 et AMD3465. Ce travail a tout d'abord nécessité lamise au point de nouvelles méthodes de fonctionnalisation de ces structures. Nous avons ainsi pupréparer de nouveaux synthons porteur d'une fonction de greffage dans les deux séries. Nous avonsensuite introduit différentes sondes imageantes, telles que des chélates adaptés pour la complexationdu cuivre, gallium et indium ainsi que des sondes fluorescentes de type bodipy.

L’objectif de ce travail de thèse était de développer des outils pour détecter et traiter le cancer àun stade précoce. Nous avons donc entrepris la synthèse de nouveaux radiopharmaceutiques ciblantspécifiquement le récepteur CXCR4, en utilisant le savoir-faire et l'expertise de notre groupe dans lasynthèse et la fonctionnalisation des polyazacycloalcanes. Nous avons travaillé simultanément surdeux aspects : l’agent chélatant et la molécule vectrice.Dans un premier temps, les travaux ont concerné la conception, la synthèse et la caractérisationde nouveaux macrocycles à fort potentiel pour la chélation du cuivre et du gallium. Nous avons toutd’abord développé une nouvelle voie de synthèse permettant d’accéder à des dérivés homocyclènesC-functionnalisés. Nous nous sommes ensuite intéressés aux dérivés du 1,4,7-triazacyclononane(TACN). En optimisant une voie de synthèse déjà développée au laboratoire, nous avons facilitél’accès à des dérivés TACN N- et C-fonctionnalisés. Nous avons ainsi préparé une série denouveaux agents chélatants bifonctionnels adaptés pour la complexation du cuivre ou du gallium, envariant la nature de la fonction de greffage et des bras coordinants. Nous avons également réalisé lasynthèse de nouveaux cryptands en série cyclène et nous avons étudié leur propriété decomplexation vis à vis du cuivre.Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle famille d’agents imageants duCXCR4 en modifiant la structure des AMD3100 et AMD3465. Ce travail a tout d’abord nécessité lamise au point de nouvelles méthodes de fonctionnalisation de ces structures. Nous avons ainsi pupréparer de nouveaux synthons porteur d’une fonction de greffage dans les deux séries. Nous avonsensuite introduit différentes sondes imageantes, telles que des chélates adaptés pour la complexationdu cuivre, gallium et indium ainsi que des sondes fluorescentes de type bodipy / The objective of this thesis work was to develop CXCR4-targeted tools to localize and treat cancer at an early stage. In this line, we investigated the synthesis of new target-specific radiopharmaceuticals. The work focused on two main axes, i.e. the chelating agent and the carrier, by using the know-how and the expertise of our group in polyazacycloalkanes synthesis and functionalization. In the first part, we were interested in developing new macrocyclic scaffolds of high potential for copper and gallium chelation. We first focused on the development of a new powerful route towards selectively functionalized constrained homocyclens. The second part was based on C-functionalized 1,4,7-triazacyclononane (TACN) and its derivatives. From a synthetic route previously developed in our group, we were able to facilitate and optimize the synthesis of selectively N- and C-functionalized TACN. By varying the grafting functions and the pendant coordinating arms, we prepared several really promising bifunctional chelating agents for copper and gallium chelation. We also investigated the synthesis of new cryptands based on cyclen and we studied their properties towards copper complexation. In the second part of this thesis work, we were interested in generating a new family of imaging agents based on well-known CXCR4 antagonists, i.e. AMD3100 and AMD3465. The access towards these agents first required the preparation of original building blocks by modification of the AMD3100 and AMD3465 cores. The conjugation of such platforms onto the appropriate probe enabled the synthesis of various systems for optical and nuclear imaging. Thus, we were able to introduce a bodipy dye and several chelators adapted for gallium, copper and indium chelation

De nombreuses études en phytoremédiation visent à accroître le prélèvement des métaux par les plantes pour dépolluer les sols. Ce travail porte sur une nouvelle approche de phytoremédiation appelée Jardins Filtrants qui consiste à traiter le sol dans des casiers végétalisés par des plantes de milieux humides (Phragmites australis, Iris pseudacorus et Salix viminalis) et irrigués de manière à imposer une alternance des conditions hydromorphie-assèchement afin d'accroître la solubilité de métaux dans le sol et de les extraire par lixiviation. Dans une expérience pilote de seize mois, cette approche a été appliquée pour la phytoremédiation de Zn, Cu et Pb d'un sol agricole fortement pollué par l'épandage d'eaux usées. Le bilan de masse des métaux dans les systèmes sol-plante a montré que seule une quantité non-significative des métaux a été accumulée dans la biomasse des plantes. Une quantité importante des métaux a été éliminée du sol via la phytolixiviation résultant de l'interaction de l'activité racinaire avec l'irrigation. Un traitement chimique complémentaire au citrate permet d'augmenter la lixiviation. Les mécanismes de transformations de Zn et Cu impliqués dans cette phytoremédiation ont été mis en évidence par combinaison des techniques analytiques sur la source synchrotron à micro- (µXRF, µXRD, µEXAFS) et macro-échelle (EXAFS) couplée aux analyses chimiques, permettant d'identifier et quantifier les formes des métaux dans le sol. Dans le sol initial, le zinc a été majoritairement sous formes de minéraux secondaires (Zn-ferrihydrite, Zn-phosphate et Zn-phyllosilicate modélisé par Zn-kérolite) et le cuivre a été associé essentiellement à la matière organique. L'activité racinaire dans les conditions hydromorphie-assèchement a profondément modifié la spéciation des métaux. Zn-ferrihydrite, une des formes majoritaires de Zn, a été complètement dissoute. La dissolution réductive de cet oxyhydroxyde de fer, favorisée par les conditions d'hydromorphie, a induit la lixiviation de Zn. Une partie de Zn solubilisé a coprécipité avec Fe en un autre oxyhydroxyde de fer zincifère moins soluble, Zn-goethite substituée, dans les conditions oxydantes et avec assistance des racines formant des plaques de goethite en défense contre l'excès de métaux dissous. De plus, les nouvelles particules de Zn métallique et ZnO ont été découvertes dans la rhizosphère, en faible quantité. L'oxydation de la matière organique a induit l'excès de Cu cationique toxique. En réponse au stress oxydant, ce cuivre a été biotransformé par les racines en association avec des mycorhizes en nanoparticules de Cu métallique, en quantité importante. Ce nouveau mode de biominéralisation peut être typique des plantes de milieux humides. Cette nouvelle voie de phytoremédiation implique principalement la phytolixiviation induisant la solubilisation des métaux et leur lixiviation et la phytotransformation, due pour une part à la phytodétoxication, conduisant la conversion des métaux toxiques en formes peu solubles.