Nano-sondes hybrides luminescentes pour la détection du cancer de la prostate

246 Pages·2017·30.35 MB·French

by  Pierre Adumeau

Nano-sondes hybrides luminescentes pour la détection
du cancer de la prostate
Pierre Adumeau
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Pierre Adumeau. Nano-sondes hybrides luminescentes pour la détection du cancer de la prostate.
Autre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2014. Français. ￿NNT: 2014CLF22442￿. ￿tel-
01020604￿
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Numero d’Ordre : D.U. 2442

Université Blaise Pascal – Clermont-Ferrand
(U.F.R. Sciences et Technologies)

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES
N° 784

THESE
Présentée pour l’obtention du grade de

DOCTEUR D’UNIVERSITE

Spécialité : Chimie

Par
Pierre ADUMEAU
Ingénieur de l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier

Nano-sondes hybrides luminescentes pour
la détection du cancer de la prostate

Soutenue publiquement le 26 février 2014, devant la commission d’examen.

Président :
Rachid MAHIOU Directeur de Recherche CNRS ‒ Institut de Chimie de Clermont-Ferrand,
UBP
Rapporteurs :
Chantal ANDRAUD Directeur de Recherche CNRS‒ Ecole Normale Supérieure de Lyon
Michel WONG CHI MAN Directeur de Recherche CNRS‒ Institut Charles Gerhardt, Université de
Montpellier 2
Examinateurs :
Samir MESSAOUDI Chargé de Recherche ‒ BioCIS, Faculté de Pharmacie, Université de Paris
Sud
Directeurs de thèse :
Damien BOYER Maître de Conférences ‒ Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, ENSCCF
Jean-Louis CANET Maître de Conférences ‒ Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, ENSCCF
Invités :
Thierry GEFFLAUT Professeur ‒ Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, UBP
Laurent MOREL Professeur ‒ Laboratoire Génétique Reproduction et Développement, UBP

"En science, la bonne question, ce n’est pas POURQUOI ; c’est POURQUOI PAS!"
Cave Johnson, fondateur d’Aperture Science

Remerciements

Ce travail a été réalisé à l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF, UMR CNRS
6296), dans le cadre d’une collaboration entre les équipes Synthèse et Etudes de Systèmes à
Intérêt Biologique (SEESIB) et Matériaux Inorganiques (MI). Je remercie le Dr. Anne-Marie
Delort, Directrice de l’ICCF, de m’avoir accueillie au sein de l’institut.
Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance envers mes deux directeurs de thèse,
messieurs Damien Boyer et Jean-Louis Canet, Maîtres de Conférences à l’Ecole Nationale
Supérieure de Chimie de Clermont-Ferrand, pour leur disponibilité et leur patience à mon
égard. Je les remercie de la confiance qu’ils ont su placer en moi, et qui m’a permis de
prendre rapidement de nombreuses initiatives dans mes recherches.
Je remercie également l’Agence Nationale de la Recherche pour le financement de cette
thèse dans le cadre du projet ‘Hybiotag’ (programme ANR P2N).

Mes vifs remerciements sont adressés à madame Chantal Andraud, Directrice de
Recherche CNRS à l’Ecole Normale Supérieure de Lyon, et monsieur Michel Wong Chi Man,
Directeur de Recherche CNRS à l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier, pour
avoir bien voulu prendre connaissance de ce travail au titre de rapporteurs. Je remercie
monsieur Samir Messaoudi, Chargé de Recherche CNRS à l’Université de Paris Sud, d’avoir
accepté d’examiner ce travail. Mes remerciements vont également à monsieur Rachid
Mahiou, directeur de recherche CNRS à l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, pour
l’honneur qu’il m’a fait de bien vouloir présider le jury, ainsi que pour les nombreuses
réponses qu’il m’a apportées au cours de ces trois années, sur la luminescence des lanthanides
à l’état solide.
J’adresse mes plus chaleureux remerciements à monsieur Thierry Gefflaut, Professeur à
l’Université Blaise Pascal, pour m’avoir accueilli au sein du groupe BioMeta lors de la
synthèse des analogues du glutamate, et pour avoir accepté de prendre place dans ce jury. Sa
patience, sa disponibilité ainsi que ses nombreux conseils m’ont été d’un grand secours lors
de la dernière, et tardive, étape du projet.
Je remercie monsieur Laurent Morel, Professeur à l’Université Blaise Pascal, d’avoir
participé à ce jury. Je remercie également les membres de son équipe, plus particulièrement le
Dr. Lia Leccia et le Dr. Cédric Hesling, pour avoir mené les études de cytotoxicité ainsi que
les études sur petit animal.
J’adresse mes remerciements à monsieur Arnaud Gautier, Directeur de Recherche, pour
les conseils pertinents qu’il m’a prodigués en synthèse organique au cours de ces trois années
ainsi que pour m’en avoir appris beaucoup sur la droiture. Mes remerciements vont également
à monsieur Federico Cisnetti, Maître de Conférences, pour avoir toujours suivi avec intérêt
mon travail.

Je remercie les post-docs qui ont participé à ce projet, me faisant gagner un temps
précieux: le Dr. Claire Gaillard, pour la réalisation des premiers essais d’encapsulation de
complexes de lanthanide et pour sa constante bonne humeur, ainsi que le Dr. Nicolas
Candelon pour la mise au point de la synthèse du DCL.
Merci également à Lionel et Vincent pour la modélisation et le docking, à Régis pour la
RMN, à Rodolphe pour l’ATG, et à Christelle et Laurène pour les clichés MET et pour leur
accueil.

J’adresse un grand merci à toutes les autres personnes que j’ai côtoyées de près au cours
de ces trois années et qui ont largement participé à les rendre inoubliables: Martine, Cécile,
Flora, Anthony, Polo, Johan, Carlos, Mickaël, Skipy, Clem, Nadia, Muriel, Pierre J., Michela,
Magalie, Delphine, Houssein, Garry, Nathalie, Thomas, Dessie, Jeremy, Pierre V., Egon,
Edith, Francis, Nolwenn et bien d’autres. Une mention spéciale à ceux qui m’ont supporté
quotidiennement: Stéphane, et surtout Marion, pour son soutient lors de la rédaction et à qui je
ne saurais rendre la pareille.

Je remercie enfin ma famille, et tout particulièrement mes parents pour leur soutient
indéfectible tout au long de mon cursus, même lorsqu’ils n’étaient pas en accord avec mes
choix. Merci d’avoir cru en moi et de m’avoir toujours donné les moyens de mes ambitions.
Cette thèse, et bientôt celle du petit frère, n’aurait pas était possible sans vous !
Table des matières
Introduction générale ............................................................................................................................. 1
Chapitre I. Etude bibliographique .......................................................................................................... 5
1. Les complexes de lanthanide .......................................................................................................... 7
1.1. Les lanthanides ........................................................................................................................ 7
1.2. Configuration électronique ..................................................................................................... 8
1.3. Propriétés de luminescence .................................................................................................... 9
1.3.1. Généralités ...................................................................................................................... 9
1.3.2. Phénomène de quenching ............................................................................................. 11
1.4. Les complexes de lanthanide luminescents .......................................................................... 12
1.4.1. Coordinence de l’ion Ln(III) ........................................................................................... 12
1.4.2. Luminescence des complexes de Ln : l’effet d’antenne ................................................ 13
1.4.3. Exemples de complexes de lanthanide luminescents ................................................... 17
1.4.4. Le ligand dipicolinate ..................................................................................................... 18
1.4.5. Les complexes de lanthanide en bio-imagerie .............................................................. 21
1.5. Conclusion ............................................................................................................................. 25
2. Les nanohybrides luminescents pour l’imagerie médicale ........................................................... 26
2.1. Nanoparticules luminescentes en bio-imagerie .................................................................... 27
2.2. Les matériaux hybrides.......................................................................................................... 28
2.3. Les nanohybrides luminescents à base de silice ................................................................... 31
2.3.1. Les nanoparticules de silice ........................................................................................... 32
2.3.2. Nanohybrides silice/chromophores organiques ........................................................... 37
2.3.3. Nanohybrides silice/complexes de lanthanide ............................................................. 39
2.4. Fonctionnalisation de surface des nanohybrides .................................................................. 42
2.5. Conclusion ............................................................................................................................. 44
3. Détection du cancer de la prostate ............................................................................................... 45
3.1. Le cancer de la prostate ........................................................................................................ 45
3.2. Vectorisation et ciblage: principes ........................................................................................ 46
3.2.1. Ciblage passif ................................................................................................................. 46
3.2.2. Ciblage actif ................................................................................................................... 47
3.3. La PSMA, une cible de choix .................................................................................................. 49
3.4. Ciblage de la PSMA ................................................................................................................ 50
3.5. Conclusion ............................................................................................................................. 55
Description du projet ............................................................................................................................ 56
1. Travaux précédents ....................................................................................................................... 56
2. Présentation du projet .................................................................................................................. 57
Chapitre II. Synthèse de ligands dérivés de l’acide dipicolinique, étude des propriétés de
luminescence des complexes d’Eu(III) et Tb(III) correspondants ........................................................ 60
1. Synthèse des ligands ..................................................................................................................... 62
1.1. Plateforme azoture et choix des substituants ....................................................................... 64
1.1.1. Synthèse de la plateforme azoture ............................................................................... 64
1.1.2. Choix des substituants ................................................................................................... 66
1.2. Cycloaddition alcyne-azoture ................................................................................................ 67
1.2.1. CuAAC ............................................................................................................................ 67
1.2.2. Cycloaddition thermique de Huisgen ............................................................................ 70
1.3. Méthylation du dérivé diméthylaniline et du dérivé méthylimidazole ................................. 71
1.4. Saponification des diesters 8-27 ........................................................................................... 72
1.5. Conclusion ............................................................................................................................. 75
2. Complexes de lanthanides ............................................................................................................ 75
2.1. Synthèse des complexes ........................................................................................................ 75
2.1. Conclusion ............................................................................................................................. 77
3. Etude des propriétés de luminescence des complexes ................................................................ 78
3.1. Etude des propriétés optiques des complexes en solution .................................................. 79
3.1.1. Spectres d’excitation ..................................................................................................... 79
3.1.2. Durées de vie de luminescence ..................................................................................... 81
3.1.3. Rendements quantiques de luminescence ................................................................... 83
3.1.4. Conclusion ..................................................................................................................... 84
3.2. Etude des propriétés optiques des complexes à l’état solide ............................................... 85
3.2.1. Spectres d’excitation ..................................................................................................... 85
3.2.2. Rendements quantiques de luminescence ................................................................... 90
3.3. Conclusion ............................................................................................................................. 91
4. Conclusion ..................................................................................................................................... 92
Chapitre III. Nanohybrides luminescents à base de complexes de lanthanide .................................. 94
1. Nanohybrides luminescents synthétisés par microémulsion inverse ........................................... 96
1.1. Synthèse de nanoparticules de silice .................................................................................... 96
1.2. Synthèse de nanohybrides luminescents .............................................................................. 97
1.3. Propriétés de luminescence des nanohybrides en optique linéaire ................................... 101
1.3.1. En suspension .............................................................................................................. 101
1.3.2. A l’état solide ............................................................................................................... 103
1.4. Propriétés de luminescence des nanohybrides en optique non-linéaire ........................... 105
1.5. Influence de la concentration en complexe sur le rendement quantique .......................... 108
1.6. Conclusion ........................................................................................................................... 109
2. Modification d’un « candidat » complexe pour son incorporation dans des nanoparticules .... 110
3. Fonctionnalisation des nanohybrides ......................................................................................... 112
3.1. Fonctionnalisation de surface par des fonctions amine ..................................................... 113
3.1.1. Synthèse ...................................................................................................................... 113
3.1.2. Caractérisations ........................................................................................................... 114
3.1.3. Propriétés de luminescence ........................................................................................ 115
3.2. PEGylation des nanoparticules ............................................................................................ 116
3.2.1. Synthèse ...................................................................................................................... 116
3.2.2. Caractérisations ........................................................................................................... 117
3.3. Conclusion ........................................................................................................................... 118
4. Stabilité des nanohybrides en suspension .................................................................................. 118
5. Conclusion ................................................................................................................................... 119
Chapitre IV. Synthèse de nouveaux inhibiteurs de la PSMA et vectorisation des nanohybrides
luminescents ....................................................................................................................................... 122
1. Nouveaux inhibiteur de la PSMA ................................................................................................. 124
1.1. Sélection des candidats vecteurs ........................................................................................ 125
1.2. Synthèse des candidats vecteurs ........................................................................................ 128
1.2.1. Analyses rétro-synthétiques des composés (S)-D et (R)-J ........................................... 128
1.2.2. Synthèse d’analogues de l’acide glutamique .............................................................. 128
1.2.3. Synthèse du candidat (S)-D ......................................................................................... 132
1.2.4. Synthèse du candidat (R)-J .......................................................................................... 135
1.3. Conclusion ........................................................................................................................... 141
2. Nano-sondes vectorisées ............................................................................................................ 141
3. Conclusion ................................................................................................................................... 143
Chapitre V. Résultats biologiques préliminaires ............................................................................... 144
1. Résultats in vitro .......................................................................................................................... 146
1.1. Evaluation de la cytotoxicité des nano-sondes ................................................................... 146
1.2. Pénétration cellulaire .......................................................................................................... 148
2. Résultats in vivo ........................................................................................................................... 148