Complexes métalliques et IRM

Responsable : Eva JAKAB TOTH

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 et principalement des complexes de lanthanides, 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 des complexes et la compréhension des phénomènes qui régissent l’efficacité des systèmes paramagnétiques en IRM. Nous travaillons ainsi sur plusieurs 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 IRM in vitro/in vivo des agents de contraste.

Principaux projets en cours :

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Ces résultats ont été publiés (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2913−2916) and highlighted on the cover of JACS (collab. P. Durand, ICSN, and S. Petoud).

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).

 

Détection des neurotransmetteurs (NT) :

crown.jpgCeci a été réalisé en synthétisant une plateforme moléculaire qui possède deux parties distinctes de reconnaissance pour les neurotransmetteurs zwittérioniques. La reconnaissance des NTs se présente via des interactions ditopiques (i) entre un chélate de Gd3+ chargé positivement et la fonction carboxylate du neurotransmetteur, et (ii) entre un éther-couronne triazoté et la fonction amine du neurotransmetteur (figure). Une sonde a été utilisée avec succès pour suivre l’activité neuronale dans de fines tranches de cerveau de souris. Ceci a montré, pour la première fois que des sondes à base de Gd3+ pouvaient être une alternative pour le suivi de l’activité du cerveau dans des conditions biologiques pertinentes (collab. G. Angelovski, Max Planck Tübingen, ACS Chem. Neuroscience, 2015, 6, 219-225 ; Chem. Eur. J. 2015, 21, 11226-11237).

Détection de Zn2+ : Des complexes de Gd3+ sont conçus suivant un système modulaire couplant, via différents espaceurs, un dérivé de pyridine pour la complexation de Gd3+à un dérivé de DPA qui possède une forte affinité pour Zn2+, les deux parties pouvant être indépendamment améliorées (Chem. Eur. J. 2014, 20, 10959-10969).

 

Dans le but de visualiser les plaques de β-amyloïdes en imagerie multimodale, divers dérivés du compose PiB ont été introduits via différents espaceurs à des chélates de types DO3A. Leur affinité et leur mécanisme d’interaction avec le peptide Aβ1-40, sous forme monomérique ou agrégé, ont été étudiés à travers différentes techniques (SPR, STD-NMR, CD, DLS, TEM). Ces résultats ont mis en évidence que même de faibles différences dans la structure du chélate peuvent avoir des répercussions importantes sur l’agrégation du peptide et, ont plus généralement permis de comprendre le comportement des complexes métalliques possédant une unité ciblante des peptides A β1-40. Bien que les expériences d’immunohistochimie ex vivo sur des tissus de cerveaux humain ayant la maladie d’Alzheimer aient montré la spécificité des sondes métalliques envers les plaques amyloïdes, des biodistributions in vivo avec des analogues de 111In ou de 68Ga ont révélé un passage modéré de la BHE dans la souris, même si un passage 2.5 fois supérieur a été observé dans des souris transgéniques APP/PS1 comparé aux souris de contrôle (coll. C. Geraldes, Coimbra ; Chem. Eur. J. 2015, 21, 5413-5422 ; ACS Med Chem Lett, 2013,4, 436-440).

Sondes IRM à base de complexes de Manganèse

Il y a quelques années, nous avons été parmi les premiers à « redécouvrir » les complexes de Mn2+ comme de potentiels agents de contraste IRM. Plusieurs structures macrocycliques ont été testées afin de déterminer le meilleur compromis entre efficacité IRM, stabilité et inertie cinétique. Nos études de cinétique de dissociation du complexe MnDOTA a apporté la première preuve expérimentale que les complexes de Mn2+ne sont pas tous cinétiquement labiles (Dalton Trans. 2011, 40, 1945-1951). Récemment, nous avons débuté des études sur des complexes de Mn2+ pour lesquels le mécanisme de relaxation est encore peu compris (J. Inorg. Biochemistry, 2016, 154, 50-59).

Sondes théranostiques

Nous combinons IRM et thérapie photodynamique (PDT) à travers une approche moléculaire ou via des nanoparticules. Des chélates de lanthanides.jpgGd3+ 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). Dans une étude de preuve de concept montrant que la PDT peut être induites 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 (figure). 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, SOLEIL ; Nano Research, 2015, 8, 2373-2379).

B. IRM petit animal

En imagerie, nous développons nos recherches sur des appareils à haut champ (7T et 9.4T) pour compenser la faible sensibilité de la mesure en IRM. Une partie de notre travail consiste donc à développer de nouvelles techniques IRM et SRM spécifiques pour des applications en biologie : il s’agit alors de développer la méthodologie pour la conception de sondes et bobines radiofréquences, pour la conception d'impulsions des séquences ainsi que pour le post-traitement des images IRM (analyse de texture). En IRM, des séquences morphologiques, de perfusion avec agent de contraste, de diffusion (DWI ou DTI), UTE (Ultra Short TE), angiographie, SWI (Susceptibility-Weighted Imaging) ou CEST (Chemical Exchange Saturation Transfert) sont utilisées. En SRM, des séquences 1H ou 1H filtrées 13C sont proposées afin d'étudier le métabolisme cérébral et hépatique. Nos études se concentrent sur la caractérisation tissulaire (cérébral, pulmonaire), de pathologies (inflammation, trisomie 21, malaria, cancer, retard de croissance), leur suivi longitudinal, le suivi de l’efficacité d’un traitement ou encore pour l’étude des effets des xénobiotiques sur le cerveau (pesticides, bisphénol A)

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NAA, N-acetylaspartate; Glx, glutamate and glutamine pool, tCr, total creatine; Cho, choline; Ins, myo-Inositol

1. Etude de l’effet d’une exposition périnatale au bisphénol A (BPA) et à ses dérivés chlorés

Le BPA est un xenoestrogène environnemental auquel l’homme est régulièrement exposé. Les dérivés chlorés du BPA, générés par la désinfection (hypochlorite) de l’eau du robinet montrent une plus grande affinité aux récepteurs des œstrogènes que le BPA. Cependant leurs effets restent inconnus. Comme ils peuvent être détectés dans des embryons humains, nous avons évalué l'effet de l'exposition périnatale au dichloro-BPA sur le cerveau et le foie de souris in vivo par 1H SRM et IRM. Nous avons montré que l'exposition pendant la gestation et la lactation, même à très faible dose, (20 ug / kg / jour) induit des perturbations précoces sur le métabolisme et la microstructure de l’hippocampe ainsi sur la composition des lipides hépatiques sur la descendance. Ces résultats soulèvent des questions sur le risque des dérivés chlorés du BPA sur l’homme (collab. M. Mesnil, Poitiers).

2. Nous avons étudié l’efficacité de nanosondes bimodales (optique et IRM) ciblées, constituées d'un noyau d'oxyde de fer superparamagnétique greffée par covalence avec le fluorochrome NHS-cyanine 5-5, pour le diagnostic de cancer à un stade précoce dans un modèle orthotopique de cancer mammaire. Les résultats de l'IRM ont confirmé l'efficacité de l’immunociblage in vivo de la sonde à la tumeur HER2, ainsi que de son accumulation dans les principaux organes d’élimination (la rate, le foie et les reins). L’imagerie par fluorescence in vivo a, par ailleurs, été corrélée avec les résultats de l'IRM (collab I. Chourpa, E. Vannier, Tours).

3. IRM de diffusion et de perfusion pour l’étude du retard de croissance intra utérin (RCIU) chez la rate

Le modèle animal de RCIU considéré est un modèle de hypoperfusion placentaire par ligature de l'artère utérine chez le rat décrit précédemment par Wigglesworth et al. Les paramètres définis en IRM de perfusion ont montré une diminution du flux sanguin (11 %) et du volume plasmatique (32 %) dans les placentas de foetus atteints par un RCIU. Ils ont également révélé une augmentation de la perméabilité des capillaires du placenta. L’IRM de diffusion DWI a mis en évidence une augmentation de la diffusion du sang dans le placenta (collab. C. Arthuis, Tours).

4. Imagerie de l’inflammation du poumon par IRM du Xe hyperpolarisé

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Ce projet vise à étudier l’inflammation pulmonaire par IRM du xénon hyperpolarisé chez la souris. Pour réaliser cette preuve de concept nous avons choisi de cibler la caspase-1, qui est surexprimée lors de la pyroptose des cellules. Une biosonde constituée d’un cryptophane et d’un peptide court sera spécialement synthétisée à cet effet. Les cryptophanes constituent d’excellents transporteurs du xénon dans les milieux biologiques et induisent de forts déplacements chimiques du xénon. Le développement de méthodes rapides d’IRM du xénon-129 hyperpolarisé permettra de suivre la coupure enzymatique de la biosonde et de localiser les cellules ayant subi une pyroptose. (Collab. P.Berthault, Saclay, T. Brotin, Lyon, I. Couillin, Orléans).

Principales publications :

Sondes d’imagerie :

  • He J., Bonnet C. S., Eliseeva S. V., Lacerda S., Chauvin T., Retailleau P., Szeremeta F., Badet B., Petoud S., Tóth E. and Durand P.
    Prototypes of Lanthanide(III) Agents Responsive to Enzymatic Activities in Three Complementary Imaging Modalities : Visible/Near-Infrared Luminescence, PARACEST- and T1-MRI. J. Am. Chem. Soc. (2016) 138, 2913-2916
  • OukhatarF., Meudal H., Landon C., Platas-Iglesias C., Logothetis N. K., Angelovski G., and Tóth E.
    Macrocyclic Gd3+ complexes with pendant crown ethers designed for binding zwitter-ionic neurotransmitters. Chem. Eur. J. (2015) 21, 11226-11237
  • Bonnet C. S., Caillé F., Pallier A., Morfin J.-F., Petoud S., Suzenet F. and Tóth E.
    Mechanistic studies of Gd3+-based MRI contrast agents for Zn2+ detection : towards a rational design. Chem. Eur. J. (2014) 20, 10959-10969
  • Carné-Sánchez A., Bonnet C. S., Imaz I., Lorenzo J., Tóth E. and Maspoch D.
    Relaxometry Studies of a Highly Stable Nanoscale Metal-Organic Framework made of Cu(II), Gd(III) and the Macrocyclic DOTP. J. Am. Chem. Soc. (2013) 135, 17711-17714
  • Lacerda S., Bonnet C. S., Pallier A., Villette S., Foucher F., Westall F., Buron F., Suzenet F., Pichon C., Petoud P. and Tóth E.
    Lanthanide-based, near-infrared luminescent and magnetic lipoparticles : monitoring particle integrity. Small (2013) 9, 2662-2666
  • Martins A. F., Morfin J.-F., Kubíčková A., Kubíček V., Buron F., Suzenet F., Salerno M., Lazar A. N., Duyckaerts C. , Arlicot N., Guilloteau D., Geraldes C. F. G. C. and Tóth E.
    PiB-conjugated, metal-based imaging probes : multimodal approaches for the visualization of β-amyloid plaques. ACS Med Chem Lett. (2013) 4, 436-440
  • The Chemistry of Contrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging
    edited by A. E. Merbach, L. Helm and É. Tóth. John Wiley & Sons, 2nd edition (2013)

IRM petit animal

  • Carrouee A., Allard-Vannier E., Même S., Szeremeta F., Beloeil J. C. and Chourpa I.
    Sensitive Trimodal Magnetic Resonance Imaging-Surface-Enhanced Resonance Raman Scattering-Fluorescence Detection of Cancer Cells with Stable Magneto-Plasmonic Nanoprobes. (2015) Analytical Chemistry, 87, 11233-11241
  • Sarou-Kanian V., Joudiou N., Louat F., Yon M., Szeremeta F., Même S., Massiot D., Decoville M., Fayon F. and Beloeil J. C.
    Metabolite localization in living drosophila using High Resolution Magic Angle Spinning NMR. (2015) Scientific Reports, 5, 9872
  • Même S., Joudiou N., Yousfi N., Szeremeta F., Lopes-Pereira P., Beloeil J. C., Herault Y. and Même W
    In Vivo 9.4T MRI and 1H MRS for Evaluation of Brain Structural and Metabolic Changes in the Ts65Dn Mouse Model for Down Syndrome. (2014) World Journal of Neuroscience, 4, 152-163
  • Mouton-Liger F., Sahún I., Collin T., Lopes Pereira P., Masini D., Thomas S., Paly E., Luilier S., Même S., Jouhault Q., Bennaï S., Beloeil J.-C., Bizot J.-C., Hérault Y., Dierssen M. and Créau N.
    Developmental molecular and functional cerebellar alterations induced by PCP4/PEP19 overexpression : Implications for Down syndrome. (2014) Neurobiology of Disease, 63, 92-106
  • Même S., Joudiou N., Szeremeta F., Mispelter J., Louat F., Decoville M., Locker D. and Beloeil J. C.
    In vivo magnetic resonance microscopy of drosophila at 9.4T. (2013) Magnetic resonance imaging, 31, 109-119

publications