One of the intriguing features of biological systems is the prevalence of highly selective and often very strong interactions among different cellular components. Such interactions play a variety of organizational, mechanical, and physiological roles at the cellular and organism levels. Antigen-antibody complexes are representative examples of highly selective and potent interactions involving proteins. The marked specificity of protein-antibody complexes have led to a wide range of applications in cellular and molecular biology related research. They have become an integral research tool in the present genomic and proteomic era. Unfortunately, the production of selective tools based on antigen-antibody interactions requires cumbersome protocols. The long term goal of this project explores the possibility of manipulating liposomes to serve as the chemical receptors ("artificial antibodies") against selected proteins. Cellular lipids (e.g., lipid rafts) are known to facilitate highly selective binding of proteins on cell membranes. The binding of proteins to cell membranes can be envisaged to be modulated via interactions between polar (charged) and non-polar head groups of lipids and the complementary amino acid residues of proteins. Their interaction is facilitated by a combination of van der Waals, electrostatic, hydrogen bonding and hydrophobic forces. A further interesting aspect of the above interaction is the "fluidity" of the membrane resident lipids, which can migrate from other regions to further enhance the complementary interactions of proteins on the initially "docked" membrane surface. With these features in mind, the end goal of this project is expected to deliver lipid-based chemical receptors "synthetically" designed against proteins to function as "artificial antibodies". Protein sensing will be accomplished with lipid receptors assembled in templated polymerized liposomes. The research presented here specifically focus on the analytical aspects of protein sensing via polymerized liposome vesicles. Lanthanide ions (Eu3+ and Tb3+) are incorporated into polymerized liposome with the expectation to "report" quantitative and qualitative information on the interacting protein. Our proposition is to extract quantitative and qualitative information from the luminescence intensity and the luminescence lifetime of the lanthanide ion, respectively. A thorough investigation is presented regarding the analytical potential of these two parameters for protein sensing. Two chemometic approaches - namely partial least squares (PLS-1) and artificial neural networks (ANN) - are compared towards quantitative and qualitative analysis of proteins in binary mixtures.

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Le ligand PCTA[12], un macrocycle à 12 chaînons intégrant dans sa structure un noyau pyridine intracyclique et trois groupements aminoacide acétique, constitue une alternative intéressante aux ligands traditionnels tels que le DTPA, le NOTA ou le DOTA pour des applications en imagerie biomédicale. Sa potentialité à agir comme agent de contraste pour l'IRM a déjà été reportée, et certains de ses dérivés ont été évalués avec succès pour l'imagerie optique ou nucléaire. En raison de ces résultats encourageants, la synthèse de familles de dérivés du ligand PCTA[12] a été entreprise en vue de l'amélioration des propriétés des différents complexes Ln(III) (Ln = Eu, Gd, Tb) qui leurs sont issus. Dans un premier temps, la synthèse multi-étape du PCTA[12] a été reconsidérée et a permis d'atteindre un rendement global de 64% en ligand contre un rendement maximum de 36% pour les méthodologies classiques. La stratégie développée a, par la suite, été employée à la synthèse de ligands à fonctions mixtes acétate/amide ou acétate/phosphinate, mais également de ligands bifonctionnels chélatants porteurs de fonctions hydroxyle, ester, acide carboxylique, hydroxyméthyle ou amine. L'introduction de groupements chromophores de type carbostyrile et benzimidazole en position para de la pyridine a pu être réalisée et une amélioration des propriétés photophysiques a été observée dans le cas du complexe d'europium à motif benzimidazole ((λex = 322 nm et Փ = 9,2%). La dernière modification a consisté en la substitution du noyau pyridine du ligand PCTA[12] par un noyau phénol. La synthèse du composé désiré conduit à la formation conjointe du dimère correspondant. Une amélioration conséquente des propriétés relaxométriques (r1 = 5,7 s-1.mM-1 et τM = 3,1 ns) et fluorescentes (Փ = 22%) des complexes Gd(III) et Tb(III) de la forme monomère a été mise en évidence. Le complexe de terbium du macrocycle dimère analogue a, quant à lui, permis l'obtention d'un excellent rendement quantique de fluorescence de 43% en milieu aqueux. / The PCTA[12] ligand is a 12-membered macrocycle containing an intracyclic pyridine ring and three amino acid acetic groups in its structure, and is an interesting alternative to traditional ligands such as DTPA, NOTA or DOTA for biomedical imaging applications. Its potential to act as a contrast agent for MRI has already been reported, and some of its derivatives have been successfully evaluated for optical or nuclear imaging. Because of these encouraging results, the synthesis of families of derivatives of the PCTA[12] ligand has been undertaken in order to improve the properties of their derived Ln (III) complexes (Ln = Eu, Gd, Tb). At first, the multi-step synthesis of PCTA[12] was reconsidered and able to reach an overall yield of 64% ligand against a maximum yield of 36% for conventional methodologies. The strategy developed was subsequently used to synthesize acetate/amide or acetate/phosphinate mixed-function ligands, but also chelating bifunctional ligands bearing hydroxyl, ester, carboxylic acid, hydroxymethyl or amine functions. The introduction of carbostyril or benzimidazole chromophores at the para-position of the pyridine moiety has been carried out and an improvement in the photophysical properties was observed in the case of the benzimidazole europium complex ((λex = 322 nm and Փ = 9.2%). The last modification consisted in the substitution of the pyridine moiety of the PCTA[12] ligand by a phenol core. The synthesis of the desired compound leads to the formation of the corresponding dimer. A consequent improvement of the relaxometric (r1 = 5.7 s-1.mM-1 and τM = 3.1 ns) and fluorescence (Փ = 22%) properties of the Gd(III) and Tb(III) complexes of the monomeric form has been demonstrated. The terbium complex of the dimeric macrocycle has, for its part, made it possible to obtain an excellent fluorescence quantum yield of 43% in aqueous medium.

The majority of the metallic elements adopt simple, high-symmetry structures at ambient pressure. These consist of a highly-ordered arrangement of atoms, which can be described by a crystal lattice that is periodic in three dimensions. It may be expected that close-packed structures, such as face-centred cubic (fcc) and hexagonal close-packed (hcp), would be favoured at high pressures due to the increase in density. However, many of these elements transform to lowsymmetry, complex structures on compression. In particular, a number have been observed to adopt incommensurately-modulated structures at high pressure. In these structures, atoms are displaced from their average positions by a modulation wave, the wavelength of which is an irrational multiple of the lattice periodicity. Diamond-anvil cells (DACs) can be used to compress materials to over a million times atmospheric pressure. In these devices, a small sample is compressed between the tips of two diamond anvils. The atomic arrangement of materials at extreme pressures can then be probed using the intense x-ray beams provided by synchrotron sources. In this work, the high-pressure crystal structures of the lanthanide elements europium (Eu) and samarium (Sm) have been investigated using angle-dispersive x-ray powder dffraction techniques. The high-pressure structural behaviour of Eu has been found to be remarkably different from that of the other lanthanide elements. Two new high-pressure phases of Eu are reported, both of which have an incommensurately-modulated crystal structure.

La chimie des cinnamates ortho-fonctionnalisés est particulièrement riche et variée, comme en témoigne le nombre important de méthodologies de synthèse reposant sur leur utilisation comme substrats précurseurs d'hétérocycles d'intérêt biologique. En effet, suivant la nature du groupe fonctionnel et les conditions opératoires, des substrats à base cinnamique ont déjà été exploités avec succès pour la construction d'un large panel de squelettes hétérocycliques, allant de systèmes cycliques à cinq chaînons (benzofurane, indole, ...) à des cycles à six chaînons (coumarine, quinolin(on)e, ...). Dans ce contexte, ma thèse avait pour objectif principal d'apporter une contribution à cette chimie propre aux cinnamates ortho-fonctionnalisés. Le premier objectif de mon travail a porté sur le développement de nouvelles méthodes de synthèse hétérocyclique employant des cinnamates ortho-fonctionnalisés comme précurseurs. D'une part, une méthode de synthèse de coumarines et de quinolones 3-trifluorométhylées a été mise au point à partir de d'ortho-hydroxy- et d'ortho-aminocinnamates. Une étude mécanistique a également été conduite et a permis de mettre évidence la nature radicalaire de la réaction de trifluorométhylation concernée. D'autre part, nous avons évalué avec succès le potentiel synthétique d'ortho-azidocinnamates pour la construction photoinduite d'indoles et de quinoléines. Le second objectif de mon travail a concerné la conception, la synthèse et l'évaluation photophysique/photochimique de nouvelles sondes photoactivables luminescentes à base d'ions lanthanides. Dans ce cas, le motif cinnamique a été installé sur un complexe de lanthanide non luminescent afin de jouer le rôle d'antenne photoactivable. Après une première étude ayant permis de prouver le concept, toute une série de composés a été préparée afin d'établir des relations structures-propriétés, relations qui nous ont finalement permis d'optimiser la performance de cette nouvelle classe de sondes luminescentes photoactivables. / The chemistry of ortho-functionalized cinnamates is particularly rich and varied, as evidenced by the large number of methods using them as building blocks for the synthesis of biologically-relevant heterocycles. In fact, depending on the nature of the functional group and the reaction conditions, various cinnamic-based substrates have already been successfully employed for the synthesis of a wide range of heterocyclic skeletons, ranging from five-membered ring systems (benzofuran, indole, ...) to six-membered rings (coumarin, quinolin(on)e, ...). In this context, the main goal of my thesis was to make a significant contribution to the chemistry peculiar to ortho-functionalized cinnamates. The first objective of my work dealt with the development of new methods for heterocyclic synthesis using ortho-functionalized cinnamates as building blocks. On one hand, a method for the regioselective synthesis of 3-trifluoromethylated coumarins and quinolones was elaborated starting from ortho-hydroxy- and ortho-aminocinnamates. The reaction mechanism of this trifluoromethylation reaction was further investigated and was found to involve radical participation. On the other hand, ortho-azidocinnamates proved suitable building blocks to achieve the construction of indoles and quinolines via a solvent-dependent photochemical process. The second objective of my work was devoted to the design, synthesis and photophysical/photochemical evaluation of new photoactivatable luminescent probes based on lanthanide ions. In this case, a non-luminescent lanthanide complex was equipped with a cinnamoyl residue in order to act as a photoactivatable sensitizer. A preliminary study allowed us to validate the concept "OFF/ON", and then a series of probes was prepared in order to establish relevant structure-property relationships, hence enabling the optimization of this novel class of photoactivatable luminescent probes.

La thérapie photodynamique (PDT) est une technique thérapeutique qui permet un traitement localisé par irradiation lumineuse d’un photosensibilisateur (PS) grâce à la génération d’une espèce cytotoxique, généralement de l’oxygène singulet. Cependant, de nombreux PS sont également luminescents et les deux processus sont compétitifs. L’emploi de métaux de transition est connu pour améliorer le processus de PDT mais l’impact des ions lanthanides(III) en PDT est encore peu connu. Par ailleurs, l’utilisation de l’absorption biphotonique a de nombreux avantages parmi lesquels la possibilité d’exciter le PS dans la fenêtre de transparence biologique pour des applications en milieux biologiques.Les travaux de cette thèse visent à étudier quel est l’influence de la complexation d’un atome de lanthanide(III) à un PS sur la photophysique de désexcitation de ce dernier. Les complexes synthétisés et ceux étudiés ont montré que l’effet dépend du lanthanide(III). Il est ainsi possible, avec un choix judicieux du métal, de favoriser une voie de désexcitation par rapport à une autre. En particulier, l’ion Gd(III) se révèle avoir un effet bénéfique important pour la génération d’oxygène singulet et cet effet s’ajoute à celui que des atomes lourds comme le brome peuvent avoir. L’ion Yb(III) en revanche, favorise de manière générale le transfert d’énergie par effet d’antenne et la luminescence du lanthanide est alors le processus majoritaire. Enfin, l’emploi de Gd(III) complexé à un PS excitable à deux photons ouvre la voie à des agents théranostiques moléculaires combinant l’IRM en tant que fonction d’imagerie et la PDT pour la thérapie. / Photodynamic Therapy (PDT) is a therapeutic technique which consists in generating a highly reactive species, generally singlet oxygen, by shining light on a photosensitizer (PS). However, many PS are also luminescent and both processes are competitive. The use of transition metals is well known to enhance the PDT effect, but little is known about the effect of lanthanide(III) metals.On the other hand biphotonic absorption has numerous advantages, among them the possibility to excite the PS in the so-called biological transparency window for biological applications.The aim of this PhD is to get a better comprehension of the effect of complexation of a lanthanide(III) atom with a PS on the photophysics and deactivation pathways of the latter. The synthesis and conducted studies of lanthanide complexes showed that the effect is dependent on which lanthanide(III) metal is used. Thus by choosing carefully the lanthanide metal, one can favor one deactivation pathway over another. In particular, the Gd(III) ion turns out to be very efficient in promoting singlet oxygen generation and its effect is additive to the already known positive effect of heavy atoms such as bromine. On the opposite, the Yb(III) ion mainly favors the energy transfer through the antenna effect and the complex preferentially emits light.Finally, using Gd(III) linked to a two-photon excited PS opens the path to molecular theranostic probes combining MRI as a imagery technique and PDT as a therapeutic one.

L’ADN est une molécule biologique essentielle, assurant le support et le transfert de l’information génétique des êtres vivants, et impliquée dans de nombreux processus d’interactions. L’élaboration d’outils moléculaires efficaces capables d’interagir avec l’ADN et de mettre en évidence cette interaction est donc un domaine de recherche d’intérêt majeur pour la compréhension d’événements biologiques essentiels et pour le diagnostic médical. Grâce à leurs propriétés spectroscopiques et magnétiques particulières, les ions lanthanides (Ln3+) s’avèrent être d’excellents candidats dans l’élaboration de telles sondes. En effet, la luminescence des ions Tb3+ et Eu3+ est très intense avec des bandes d’émission fines et caractéristiques dans le visible, et permet une détection résolue en temps grâce à de longs temps de vie de luminescence. L’ion Gd3+, grâce à un moment magnétique de spin très élevé et à un temps de relaxation électronique relativement long, possède des propriétés magnétiques particulièrement intéressantes pour augmenter la relaxation paramagnétique nucléaire des protons de l’eau.Ce travail de thèse a consisté à exploiter les propriétés des lanthanides au sein de peptides optimisés pour complexer ces ions, et fonctionnalisés par une unité de reconnaissance de l’ADN. Les complexes de Gd(III) développés sont de puissants outils capables de mettre en évidence l’interaction avec l’ADN en induisant une augmentation significative de la relaxivité aux champs intermédiaires. Celle-ci est caractéristique de l’augmentation du temps de corrélation rotationnelle inhérente à la formation de l’adduit complexe-ADN. Par ailleurs, les complexes de Tb(III) comportant un sensibilisateur de cet ion et une unité de reconnaissance de l’ADN ont permis l’obtention de sondes efficaces de l’ADN aux propriétés d’émission optimisées. Un choix judicieux du trio « unité de reconnaissance – sensibilisateur - lanthanide » permet d’éteindre la luminescence du lanthanide en absence d’ADN et de l’augmenter suite à l’interaction avec cet acide nucléique. Ces sondes luminescentes sont également capables d’induire une augmentation de la luminescence centrée sur le métal suite à leur interaction avec d’autres acides nucléiques. / DNA is an essential biomolecule, which ensures the support and the transfer of the genetic information in all organisms, and is involved in many interaction processes. The development of effective molecular tools interacting with DNA and highlighting this interaction is a field of research of high relevance, in order to understand essential biological events and for medical diagnostics. Thanks to their unique spectroscopic and magnetic properties, lanthanide ions (Ln3+) have proved to be very promising candidates in the design of such probes. In fact, luminescence of Tb3+ and Eu3+ is highly sensitive with narrow and specific emission bands, and is time-resolved with long luminescence lifetimes. Gd3+ ion, thanks to a high spin magnetic moment and a long electronic relaxation time, has interesting magnetic properties to enhance the nuclear paramagnetic relaxation of water protons.In this work, we take advantage of lanthanides’ properties within peptides, optimized for complexing these ions, and functionalized with a DNA binding unit. Developed Gd3+ complexes are powerful tools that can highlight the interaction with DNA, thanks to a significant increase of relaxivity at intermediate fields. This one is characteristic of the increase of the rotational correlation time inherent to the formation of the complex‑DNA adduct. Moreover, the Tb3+ complexes include a sensitizer of this ion and a DNA binding unit, allowing the conception of effective DNA probes with optimized emission properties. A judicious choice of the trio “DNA binding unit – sensitizer – lanthanide” allows to switch off the lanthanide luminescence without DNA and to turn it on after interaction with this nucleic acid. These luminescent probes are also able to induce an increase of the metal-centered luminescence after interaction with other nucleic acids.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet « NanoFret », financé par L’Agence Nationale de Recherche (ANR). Elle visait à développer de nouveaux complexes luminescents de lanthanides dans le but de les utiliser dans le diagnostic du choc septique. Le complexe idéal devait posséder une longueur d’onde d’excitation élevée, un temps de vie de luminescence long et une brillance élevée. Nos complexes devaient présenter un nombre important de groupements chromophoriques. Nous avons travaillé sur plusieurs types de ligands afin d’améliorer ces propriétés. La recherche sur les ligands dérivés du cyanophénol a permis d’obtenir un ligand qui est utilisé comme sensibilisateur des nanoparticules « ultra-brillantes ». Les ligands poly-picolinates sont des ligands très intéressants mais nécessite encore d’être perfectionnés afin d’obtenir la géométrie de complexation souhaitée. Les complexes des ligands benzyle-cyclène et pyridine-bispyrazole sont de bonnes plateformes pour la synthèse de complexes luminescents de lanthanides. Les perspectives de ces travaux concernent l’optimisation des chromophores afin d’atteindre des longueurs d’ondes d’excitation supérieures. / This work is part of the "NanoFret" project, funded by the “Agence National de Recherche” (ANR). It aimed to develop new luminescent lanthanide complexes for their use in the diagnosis of septic shock. The ideal complex should have a high excitation wavelength, a long luminescence lifetime and high brightness. The complexes should then present a significant number of chromophoric groups. We worked on several types of ligands to improve these properties. Research on derivatives of cyanophenol ligands allowed to get a ligand used as a sensitizer for "ultra-bright" Ln(III) nanoparticles. Poly-picolinates ligands are very interesting ligands but still needs to be improved in order to obtain the desired complexing geometry. Complexes of benzyl-cyclen ligands and pyridine-bispyrazole ligands are good platforms for the synthesis of luminescent lanthanide complexes. The perspectives of these works concern the optimization of chromophores to achieve higher excitation wavelengths.

Le zinc et le cuivre sont à la fois essentiels et toxiques pour les organismes vivants, c’est pourquoi ils sont très finement régulés. Pour comprendre le rôle et les flux de ces métaux, il est nécessaire de pouvoir les imager, notamment à l’aide de sonde fluorescente. Les sondes développées sont basées sur des sites de liaison de métalloprotéines et un complexe de lanthanide pour l’émission en temps résolu.Le principe de la sonde à cuivre(I), inspirée de la chaperonne CusF, repose sur la formation d’une interaction cation-pi entre le cuivre(I) et la chaîne latérale du tryptophane. Cette interaction modifie les propriétés du tryptophane et conduit à l’augmentation de la luminescence du terbium. L’étude du mécanisme spectroscopique a montré que l’interaction cation-pi augmente le croisement intersystèmes et donc la population de l’état triplet du tryptophane, ce qui permet de transférer plus d’énergie au lanthanide. Cette sonde est sélective de Cu+ parmi les cations physiologiques mais s’allume également en présence d’argent(I). Cette sonde a été modifiée dans le but d’améliorer ses propriétés (constantes d’affinité, sélectivité, contraste, longueur d’onde d’émission). L’une des sondes dérivées est capable de différentier entre Cu+ et Ag+, ce qui est unique.Le principe de la sonde à zinc, basée sur une séquence à doigt de zinc, repose sur la modulation du transfert d’énergie entre le lanthanide et son antenne par une modification de la distance. La sonde s’allume sélectivement en présence de zinc. La sonde a ensuite été modifiée, premièrement pour incorporer un second complexe de lanthanide et obtenir une sonde ratiométrique, et deuxièmement pour décaler les longueurs d’onde d’excitation et d’émission respectivement vers le spectre visible et le proche infra-rouge. Sur ce dernier point, une nouvelle antenne a été découverte pour la sensibilisation du néodyme. / Zinc and copper are essential and toxic for living organisms, so they are tightly regulated. To understand, at cellular level, the role of the kinetically exchangeable pool of these metals and their fluxes, we have designed peptidic luminescent probes based on the binding site of metalloproteins and on a lanthanide complex as time-resolved emitting moiety.The copper(I) probe, which is inspired by the chaperone CusF, rely on the formation of a cation-pi interaction between copper and a tryptophan side chain to turn on the luminescence of a terbium ion. Detailed spectroscopic characterizations, including time-resolved spectroscopy, have shown that the cation- pi enhances intersystem crossing and thus population of the tryptophan triplet state, which transfers energy to the lanthanide. This probe is selective for Cu+ among physiological cations but is able to detect silver(I) also. This probe was modified to change its properties (binding constants, selectivity, contrast, emission wavelength). Among derived probes, one of them is able to discriminate between Cu+ and Ag+, a property that has not been reported so far for copper or silver probes.The zinc probe is based on a zinc finger sequence and rely on the modulation of energy transfer between the lanthanide and its antenna by a distance change. It turns on upon zinc binding and is perfectly selective for zinc. The probe was then modified (i) to incorporate a second lanthanide complex and obtain a ratiometric probe and (ii) to shift the excitation and emission wavelength to the visible and near infrared, respectively. Concerning this last point, a new antenna was discovered for the sensitization of the neodymium ion.