Complexes métalliques et IRM

La thématique de cette équipe est la conception de sondes novatrices pour l’imagerie médicale, ainsi que l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) du petit animal.

A. Conception de sondes d’imagerie

Notre chimie est axée sur le design, la synthèse et la caractérisation de sondes innovantes, basée sur des complexes métalliques pour des applications en IRM.

Nous mettons en œuvre les principes de la chimie de coordination afin de concevoir des sondes d’imagerie moléculaire. De plus, nous nous intéressons aussi à des aspects fondamentaux comme l’optimisation de la stabilité et l’inertie cinétique des complexes et la compréhension des phénomènes qui régissent l’efficacité des systèmes paramagnétiques en IRM. Nous travaillons ainsi sur l’ensemble des étapes du développement des sondes d’imagerie : (i) la conception et la synthèse de nouveaux chélatants, (ii) la caractérisation physico-chimique complète des complexes métalliques, ce qui comprend la détermination des paramètres microscopiques individuels qui gouvernent la relaxivité ou le transfert de saturation par échange chimique (CEST), (iii) l’estimation de la stabilité et de l’inertie cinétique des complexes, essentielles par rapport à la toxicité in vivo, (iv)  l’évaluation in vitro/in vivo des agents de contraste par IRM.

Principaux projets en cours :

Sondes IRM à base de complexes de Manganèse. Le manganèse est un élément essential et Mn²⁺ possède un spin électronique élevé (S = 5/2) accompagné d’une relaxation électronique lente. Les complexes de Mn²⁺ sont donc une bonne alternative aux complexes de Gd³⁺ actuellement utilisés en clinique. Dans ce contexte, nous avons exploré des ligands linéaires et macrocycliques pour la complexation du Mn²⁺ (Inorg. Chem. 2017, 56, 7746-7760, New J. Chem. 2018, 42, 8012 – 8020, J. Med. Chem. 2020, 63, 6057-6065; collab. G. Tircso, Univ. Debrecen, Hongrie). Récemment, nous avons montré que les ligands bispidines très rigides et préorganisés étaient bien adaptés à la complexation du Mn²⁺. Nous avons identifié des complexes avec d’excellentes propriétés IRM et une inertie cinétique inégalée (Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 11958-11963, collab. L. Charbonnière, A. Nonat, IPHC Strasbourg) ou une stabilité thermodynamique et une sélectivité Mn²⁺/Zn²⁺ exceptionnelles (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, https://doi.org/10.1002/ange.202115580, coll. P. Comba, Univ. Heidelberg).

Agents IRM intelligents pour la détection du Zn²⁺. Des complexes de Gd3+ responsifs au Zn²⁺ sont conçus suivant un design modulaire couplant, via différents espaceurs, un complexe de Gd³⁺ à un dérivé de DPA qui possède une forte affinité pour le Zn²⁺. Nous nous intéressons à déchiffrer les paramètres microscopiques gouvernant la réponse IRM de ces systèmes afin de les optimiser. Ces systèmes ont une réponse optimale aux champs magnétiques intermédiaires, mais grâce à la technique de FFC-MRI (Fast-field-cycling MRI, collab. H. Scharfetter, Gräz Universität, Autriche), nous avons également pu détecter le Zn²⁺ à plus haut champ, là où la résolution est meilleure. (Chem. Eur. J. 2014, 20, 10959 – 10969 ; Coord. Chem. Rev. 2018, 369, 91 ; Pharmaceuticals 2020,13, 436 ; Chem. Eur. J. 2019, 25, 8236-8239).

Systèmes peptidiques pour la détection de Zn²⁺. Les doigts de zinc sont de petits domaines protéiques qui lient le Zn²⁺ avec une forte affinité et une très bonne sélectivité par rapport aux autres cations physiologiques. Par complexation du Zn²⁺, le peptide se replie et devient plus rigide. En positionnant de façon judicieuse sur ce peptide un chélate de Gd³⁺, nous obtenons un agent de contraste IRM sensible au Zn²⁺. C’est le premier système peptidique utilisé pour la détection du Zn²⁺ en IRM. Grâce à l’utilisation d’un tryptophane pouvant servir d’antenne pour la sensibilisation de la luminescence du Tb³⁺, l’agent de contraste obtenu est bimodal IRM/imagerie optique (Chem. Commun. 2018, 54, 7350-7353, collaboration avec O. Sénèque, LCBM Grenoble)

Détection quantitative du Zn²⁺. La quantification de tout paramètre physiologique en IRM est ardue car elle nécessite la connaissance de la concentration locale en agent de contraste, ce qui n’est pas possible in vivo. Nous avons décidé de combiner l’IRM (technique responsive) avec la TEMP (Tomographie par Emission MonoPhotonique ; technique quantitative) en utilisant un Ln³⁺ radioactif afin de garantir une biodistribution similaire. En collaboration avec I. Da Silva (CEMHTI, Orléans), nous avons produit, à l’aide d’un cyclotron, du ¹⁶⁵Er qui peut être séparé de son élément père (Ho), ce qui est primordial pour une quantification fiable. C’est la première fois que le ¹⁶⁵Er était produit en France. En utilisant un cocktail de Gd³⁺ et ¹⁶⁵Er³⁺ adapté à chaque technique, un agent de contraste IRM sensible au Zn²⁺ et une courbe de calibration, nous avons fait la preuve de concept de la quantification du Zn²⁺ in vitro. Il s’agissait de la première méthode de quantification des cations métalliques et ces travaux ont été mis en avant par le journal Chem. Comm (Chem. Commun. 2018, 54, 7597-7600 ; collaboration I. Da Silva, CEMHTI Orléans et J. Sobilo et S. Lerondel, CIPA, Orléans).

Agents IRM sensibles aux enzymes. Nous travaillons sur des sondes IRM présentant un espaceur auto-immolable entre le complexe de Ln³⁺ et le substrat spécifique de l’enzyme cible. La coupure enzymatique provoque une cascade électronique, ce qui entraine une modification structurale du complexe et, de ce fait, une réponse simultanée en relaxivité ou en PARACEST. Cette plateforme enzymatique a pu être étendue à la détection optique en introduisant un chromophore (pyridine) au ligand. Ceci constitue le premier exemple où une même molécule peut être utilisée comme agent répondant aux enzymes dans trois modalités d’imagerie différentes et indépendantes (IRM par pondération T1 et par transfert de saturation par échange chimique, imagerie optique). Ces résultats ont été publiés. (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2913−2916) et mis en avant sur la couverture de JACS (collaboration avec P. Durand, ICSN, et S. Petoud).

Détection de peptides amyloides. Nous nous intéressons depuis longtemps aux complexes macrocycliques portant des dérivés de benzothiazole pour l’imagerie multimodale de peptides amyloides. Récemment, nous avons montré qu’il était possible d’atteindre des affinités de l’ordre du nanomolaire, ce qui est sans précédent pour des complexes métalliques, avec du Aβ_1-40 ou de l’amyline, quand l’unité de reconnaissance est séparée du chélate par une longue chaine hydrophobe C10. Nous avons également montré que différents régimes d’affinité peptidique existent en fonction de la concentration de GdL s’expliquant par la présence de différents agrégats micellaires. Ainsi, l’agrégation micellaire de complexes métalliques doit toujours être gardée en tête quand des interactions avec des peptides amyloides sont considérées. (coll. C. Geraldes, Coimbra; C. Hureau, Toulouse, Chem. Eur. J. 2021, 27, 2009 – 2020, Nanotheranostics, 2018, 2, 168-183).

Sondes théranostiques. Nous combinons IRM et thérapie photodynamique (PDT) à travers une approche moléculaire ou via des nanoparticules. Des chélates de Gd³⁺ ont été greffés à des photosensibilisateurs de types porphyrines, certains pour une excitation bi-photonique. Nous avons démontré que leur association chimique pouvait être bénéfique à la fois pour les propriétés de relaxation et pour le photosensibilisateur (collab. V. Heitz, Strasbourg; Chem. Eur. J. 2016, 22, 2775–2786, Inorg. Chem. 2016, 55, 4545–4554 ; Bioconj. Chem. 2018, 29, 3726-3738 ; Inorg. Chem. 2020, 59, 14389-14298). Dans une étude de preuve de concept montrant que la PDT peut être induite par des rayons X, nous avons tiré avantage de la luminescence des lanthanides excités par des rayons X pour générer localement de la lumière dans un système micellaire. Ce système comprend des chélates de lanthanides amphiphiles et intègrent l’hypéricine comme photosensibilisateur dans son cœur hydrophobe. Cela contourne les limites intrinsèques de pénétration de la PDT et pourrait être, de façon synergique, combiné avec la radiothérapie classique et le suivi par IRM (collab. M. Réfrégiers; Nano Research, 2015, 8, 2373-2379).

Un liposome transportant des médicaments est un exemple typique de nanomédecine. Nous avons montré que la doxorubicine, l’anti-cancéreux utilisé dans le liposome commercial Doxil® peut sensibiliser l’Ytterbium (Yb³⁺) et générer son émission dans le proche infrarouge. Quand la doxorubicine et un complexe amphiphile d’Yb³⁺ sont incorporés dans des liposomes, la sensibilisation de l’émission d’Yb³⁺ est dépendante de l’intégrité des particules et peut être utilisée pour suivre la délivrance du médicament. Nous avons également montré pour la première fois que l’émission d’Yb³⁺ dans le proche infrarouge peut être observée sur des souris vivantes après injection intratumorale de liposomes Yb³⁺-doxorubicine, en utilisant un macroscope commercial équipé d’une caméra proche infrarouge (coll. S. Petoud, C. Pichon, CBM, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23574-23577).

Sondes ciblées pour l’imagerie multimodale. Nous nous intéressons au développement de sondes d’imagerie à base de peptides qui vont cibler spécifiquement des protéines qui sont des biomarqueurs précoces de pathologies. Ces protéines sont souvent surexprimées, ce qui en fait des cibles idéales pour l’imagerie. Dans une première approche, nous avons montré que des nanoparticules d’or décorées avec Gd³⁺ , le radioisotope ⁶⁷Ga, et la bombesine, peuvent être internalisées par des tumeurs de la prostate PC3 in vivo. Ces sondes sont détectables en IRM grâce au Gd³⁺ qui contribue également avec l’or aux propriétés thérapeutiques par radiosensibilisation. (coll. MP. Campello, Lisbon, Materials 2020, 13, 513).
Dans une approche moléculaire, nous avons étudié des sondes spécifiques de la tropoélastine, qui est fortement impliquée dans le développement de maladies cardiovasculaires (coll. A. Phinikaridou & R. Botnar, London, Cardiovasc. Res. 2020, 116, 995–1005). Une version tétramérique optimisée de ces sondes a été récemment validée chez un modèle murin d’athérosclérose (coll. A. Phinikaridou & R. Botnar, London; G. Digilio & S. Aime, Turin, J. Med. Chem. 2021, 64, 15250-15261).