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L’effet des composés paramagnétiques sur le déplacement chimique des protons, c’est-à-dire sur leur fréquence de résonance propre, beaucoup utilisé en RMN conventionnelle, peut également être un outil de contraste en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour réaliser des images encodées en fréquence et donc sélectives selon la nature ou l’environnement de l’entité que l’on cherche à révéler. Cette approche fait intervenir le transfert d’aimantation par échange chimique de protons mobiles, en anglais « Chemical Exchange Saturation Transfer » (CEST). Le principe consiste à saturer sélectivement un signal donné de protons labiles appartenant à la structure-même de l’agent de contraste ou aux molécules d’eau qui lui sont transitoirement liées, à l’aide d’une impulsion radiofréquence bien choisie. L’image résulte alors de l’altération du signal des protons échangés. Le fonctionnement de la méthode repose sur l’existence effective de deux ensembles ou réservoirs de protons, celui correspondant aux protons associés à l’agent de contraste et celui représenté par le milieu environnant, autrement dit l’eau des tissus, ces deux réservoirs présentant une fréquence de résonance bien distincte. Les systèmes LipoCEST, liposomes encapsulant un complexe paramagnétique de lanthanide, permettent une telle différenciation de deux réservoirs de protons constitutifs d’une part de l’eau contenue dans la cavité interne des liposomes (dont la fréquence de résonance est modifiée par l’agent paramagnétique) et d’autre part de l’eau présente à l’extérieur de la structure. La sensibilité de tels systèmes est principalement due au grand nombre de protons contenus dans le réservoir interne. La nature de l’agent paramagnétique joue un rôle déterminant dans la sélectivité de l’effet CEST et la nature de la membrane des liposomes dont la perméabilité permet un échange plus ou moins rapide entre les deux réservoirs d’eau doit être sélectionnée de manière à conduire à une réponse CEST efficace.Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur une telle mise au point avec pour objectif l’optimisation de systèmes destinés à une IRM-CEST après administration par voie intraveineuse. De ce fait, le diamètre des liposomes a été fixé inférieur à 200 nm et leur surface recouverte de chaînes de poly(éthylène glycol) pour assurer leur future stabilité dans le compartiment sanguin. Le choix des agents de déplacement chimique à centre lanthanide, principalement des complexes de thulium, a été fixé à partir de leurs propriétés structurales et magnétiques. La méthodologie spécialement développée pour encapsuler ces entités au sein de liposomes de compositions lipidiques induisant des perméabilités membranaires distinctes a permis la mise au point d’un nouvel agent de contraste LipoCEST. / The effect of paramagnetic compounds in the chemical shift of endogenous protons, i.e., their resonance frequency, widely used in conventional NMR, can also be a tool to modulate the contrast in magnetic resonance imaging (MRI) by achieving frequency-encoded images depending on the nature or the environment of the entity or tissue to be revealed. This approach involves the transfer of magnetization by chemical exchange of protons also referred to as "Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST). The principle consists in selectively saturate by applying a radio frequency pulse, the signal of labile protons transiently belonging to the structure of the contrast agent or to the water molecules which are associated transiently to it. The image then results from the alteration of the signal of the exchanged protons. The method is based on the actual existence of two sets of protons or pools with two distinct resonance frequencies, one corresponding to the protons associated with the contrast agent and the other represented by the surrounding bulk water.LipoCEST systems, liposomes encapsulating a paramagnetic lanthanide complex, allows such a differentiation of two proton pools constituted on one hand by the water molecules contained in the inner cavity of the liposomes (with a resonance frequency changed by the paramagnetic agent ) and on the other hand by the water present outside the vesicle structure. The sensitivity of such systems is mainly due to the large number of protons in the inner pool. The nature of the paramagnetic agent plays a role in the selectivity of the CEST effect while the nature of the liposome membrane and related permeability behavior controls the proton exchange kinetics between the two water pools. These two parameters must be selected and adjusted to provide effective CEST contrast.The work in this thesis aimed at such a development by optimizing liposome systems for MRI-CEST after intravenous administration. Therefore, the diameter of the liposomes was set below 200 nm and their surface covered by chains of poly (ethylene glycol) to ensure stability in the blood compartment. The choice of chemical shift agents based on lanthanide complexes, mainly thulium-based derivatives, was established from their structural and magnetic properties. The methodology specially developed to encapsulate these entities into vesicles of different membrane composition and permeability to water allowed to generate a new LipoCEST contrast agent.

Au cours des dernières années, l’imagerie médicale est devenue l’une des techniques les plus puissantes dans le domaine du diagnostic médical et des recherches biomédicales. Avec le développement de l’imagerie moléculaire, les sondes sensibles permettant l’imagerie multimodale des événements moléculaires sont alors nécessaires.Dans ce travail, nous présentons la conception et la synthèse des complexes de lanthanides dans le but de développer des agents de contraste intelligents pour la détection de l’activité enzymatique par IRM (T1/CEST) et l’imagerie optique. Les complexes conçus s’articulent autour d’un chélate de lanthanide macrocyclique joint avec une amino pyridine qui est liée à un déclencheur enzymatique sensible (e.g. galactoside) par un espaceur auto-immolatif. Celui-ci est censé modifier temporairement, en fonction de la présence d’enzyme, les propriétés magnétiques et photo-physiques du complexe. Le concept a été validé sur un composé modèle sans déclencheur. Bien qu’aucune différence de relaxation n’ait été observée entre les modèles de forme enzymatique activée et non-activée qui empêche l’utilisation de T1-IRM, des effets ParaCEST différents dépendant du lanthanide, ont été observé. En outre, un effet CEST inconnu a été affecté à la fonction carbamate. Des études photo-physiques préliminaires ont montré également des propriétés différentes des deux formes et ont confirmé le potentiel de ces complexes comme agents de contraste enzymatiques sensibles bimodals. La synthèse de la sonde enzymatique sensible a été tenté par trois voies différentes et a finalement été effectué dans un processus de treize étape qui restait à être optimisé. Une étude sur la relation ‘structure-activité’ a été lancée avec la synthèse des isomères de position sur la pyridine du composé modèle / Over the last decade, medical imaging has evolved into one of the most powerful technique in diagnostic clinical medicine and biomedical researches. With the development of molecular imaging responsive probes allowing multimodal imaging of molecular events are then required.In this work, we present the design and the synthesis of lanthanide complexes with the aim of developing smart contrast agents for the detection of enzyme activity by MRI (T1 / CEST) and Optical Imaging. The designed complexes are built around a macrocyclic lanthanide chelate appended with an amino pyridine which is linked to an enzyme-sensitive trigger (e.g. galactoside) via a self-immolative linker. The latter is supposed to modify temporarily and in an enzyme dependent way the magnetic and photo-physical properties of the complex. The concept was first validated on a model compound without trigger. Although no difference of relaxivity was observed between models of the enzyme-activated and non-activated forms precluding the use in T1-MRI, different paraCEST effects were observed and found dependent on the lanthanide. Moreover, a previously unknown CEST effect was assigned to a carbamate function. Preliminary photo-physical studies showed also a different behavior of the two forms and confirmed the potentiality of these complexes as enzyme responsive bimodal contrast agent. The synthesis of the enzyme-responsive probe has been attempted by three different pathways and was finally achieved in a thirteen-step process which remained to be optimized. A “structure activity” relationship study has been initiated with the synthesis of positional isomers on the pyridine of the model compound

L’imagerie par résonnance magnétique trouve depuis ces dernières années des applications notables dans le domaine de l’imagerie moléculaire, qui représente un atout considérable pour l’investigation et la compréhension des processus biologiques. Des agents de contraste dits « intelligents » et spécifiques du processus physiologique que l’on souhaite détecter (pH, température, concentration en ion métallique, métabolite, etc.) sont alors développés. Cette thèse se concentre sur le développement et l’étude de nouveaux agents de contraste conçus pour la détection spécifique de l’activité enzymatique. Ces agents consistent en un complexe de lanthanide paramagnétique de type LnDO3A couplés par le biais d’un espaceur (auto-immolable par exemple) au substrat spécifique de l’enzyme ciblée. Après coupure du substrat par l’enzyme, la structure chimique de l’agent de contraste est modifiée entrainant des variations significatives de la relaxivité et des propriétés paraCEST des complexes. La caractérisation physico-chimique de certains complexes de Ln³⁺ et de Mn²⁺ a été réalisée. Les complexes de Gd³⁺ étudiés ont eu des réponses enzymatiques T1 prometteuses et les complexes de Ln³⁺ paramagnétiques étudiés (autres que Gd³⁺) ont montré une possible détection paraCEST de l’activité enzymatique. Les paramètres influençant l’effet CEST (structure moléculaire du complexe, choix du lanthanide, etc.) ont également été mis en évidence. Cependant la coupure enzymatique de certains composés reste encore à améliorer. / Over the past years, Magnetic Resonance Imaging has found significant applications in the field of molecular imaging, which is a considerable asset for investigating and understanding biological processes. Towards this objective, smart or responsive contrast agents (CA) which are specific of the physiological phenomenon that we aim to visualize (pH, temperature, metal ion concentration, metabolites, etc.) have been widely explored. This thesis focuses on the synthesis and the investigation of novel CAs designed for specific detection of enzyme activities. These CAs consist of a DO3A-type lanthanide chelate coupled via a spacer (e.g. a self-immolative linker) to an enzyme-specific substrate. After cleavage of the substrate by the enzyme, the CA’s chemical structure is modified leading to significant variations in the relaxivity or the paraCEST properties of the complexes. In this context, the physical chemical characterization of several Ln³⁺ and Mn²⁺ complexes has been achieved. Some Gd³⁺ complexes showed promising T1 responses while other paramagnetic Ln³⁺ complexes (Ln³⁺ = other than Gd³⁺) exhibited interesting paraCEST properties for enzymatic detection. The parameters affecting CEST properties (e.g. molecular structure of the complex, choice of lanthanide, etc.) have also been widely investigated. Nevertheless, the enzymatic cleavage of some compounds still need to be improved.

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