Composés luminescents de lanthanides, spectroscopie et bioimagerie optique

Responsable : Stéphane PETOUD

DESCRIPTIF DU TRAVAIL DE RECHERCHE

Le but général du groupe thématique "Composés luminescents de lanthanides, spectroscopie et bioimagerie" est de créer, synthétiser, caractériser et étudier de nouveaux systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’analyse du vivant et l’imagerie biologique optique.
Pour ce faire, le groupe combine des expertises dans les domaines de la synthèse organique, inorganique et de nanomatériaux, de la chimie supramoléculaire, de la spectroscopie (absorbance et luminescence) visible et proche-infrarouge, de la biochimie et de la biophysique, de l’imagerie optique cellulaire et du petit animal.
Nous proposons une recherche fondamentale et transversale qui inclut la conception de systèmes luminescents en tenant compte de l’application finale. L’établissement de preuves de principe de la possibilité d’utilisation de ces composés fait partie de de nos activités de recherche.

Marqueurs et senseurs luminescents pour l’imagerie biologique

Les composés de lanthanide sont très résistants au photoblanchiment qui est souvent un inconvénient majeur des fluorophores organiques, en particulier dans le cas d’illuminations intenses ou répétées. De plus, leurs émissions apparaissent sous forme de bandes très étroites qui permet une discrimination spectrale plus efficace que celle obtenue avec les fluorophores organiques.
Nous avons un intérêt particulier pour les composés de lanthanide émettant dans le proche-infrarouge. En effet, cette gamme spectrale est intéressante pour l’imagerie biologique pour plusieurs raisons. (cf publication 1) D’une part, l’autofluorescence des tissus biologiques est fortement réduite dans le NIR, ce qui augmente la sensibilité de détection. D’autre part, la profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus est plus importante (en raison de la diminution de la diffusion), ce qui constitue un atout important pour la détection sur l’animal et en clinique.

Afin de générer la luminescence des cations lanthanide, ces derniers doivent être sensibilisés au moyen d’ « antennes ». Ces entités doivent absorber une grande quantité de lumière et transférer l’énergie résultante aux cations lanthanide. L’un de nos axes de recherche est la quête de nouvelles antennes (synthèse et rationalisation du transfert d’énergie) qui permettront la sensibilisation d’un nombre plus grand de cations lanthanide avec des longueurs d’ondes s’étendant sur une gamme plus large, notamment avec des chromophores absorbant à basse énergie.
Un autre aspect de nos recherches est la création de nouveaux types de rapporteurs permettant la localisation et la quantification d’entités ou d’activités biologiques permettant l’utilisation de ces composés dans des applications pratiques avec un intérêt particulier pour la cellule et le petit animal. Nous nous intéressons également à la création de complexes de lanthanide combinant les fonctions d’agents de luminescence optique et d’agents d’imagerie magnétiques afin de créer des agents multimodaux utilisables en modalités comme l’imagerie optique et l’IRM.
Pour atteindre ces buts, nous nous intéressons à différentes familles de composés incluant des complexes de types petites molécules comme des métallacrowns (cf publications 2 et 3) des systèmes polymétalliques comme des dendrimères (cf publications 4 et 5), et des réseaux-métallo-organiques (MOFs) 6, aussi des nanomatériaux comme des nanocristaux (cf publication 7), des nanobilles, des micelles et des microémulsions (cf publication 8).

Quelques exemples de ces composés sont illustrés ci-dessous :

 

La stratégie des systèmes polymétalliques est basée sur l’hypothèse selon laquelle un grand nombre de cations lanthanide et un grand nombre d’antennes par unité de volume conduira à l’émission d’un plus grand nombre de photons permettant de compenser les faibles rendements quantiques souvent observés pour les lanthanides émettant dans le proche-infrarouge.
Plusieurs systèmes ont été testés pour valider cette approche. Par exemple, des micelles et des liposomes ont été synthétisés qui peuvent incorporer un grand nombre de chromophores et de lanthanides (cf publication 8).

L’incorporation de lanthanides et de chromophores dans des billes a aussi été testée pour la formation de systèmes polymétalliques par un effort de synthèse minimal tout en assurant de meilleures propriétés photophysiques et une bonne stabilité.

Une autre approche est l’utilisation de réseaux métallo-organiques (« Metal Organic Frameworks », MOF), qui représentent une nouvelle classe de matériaux à la structure bien définie, construits à partir d’ions métalliques et de ligands organiques rigides. Il est possible d’ajuster les MOFs afin d’obtenir des propriétés spécifiques en modulant la taille de leurs pores, la topologie du réseau et les zones de surface d’une manière contrôlée.

Des complexes polymétalliques à base de dendrimères ont été utilisés dans plusieurs projets. Nous développons des méthodologies efficaces et flexibles de fixation de chromophores en leur périphérie. Nous avons établi la première preuve de principe d’utilisation des dendrimères à base de lanthanides pour l’imagerie en visible et en NIR dans les cellules vivantes (cf publications 4).

Notre recherche implique de nombreuses collaborations nationales (Université d’Orléans, Université de Tours, ICSN à l’Université Paris Saclay, INRA à Nouzilly, synchrotron Soleil et CEA de Grenoble) et internationales (dont les Université de Genève et de Berne en Suisse, les Universités du Michigan, Northwestern et de Pittsburgh aux Etats Unis, l’Université Nationale de Singapour, les Universités de Cracovie et de Poznan en Pologne, les Universités de Coimbra et Aveiro au Portugal, les Universités Thessalonique, Athènes et Ioannina en Grèce, l’Institut Catalan de Nanotechnologie).
Notre groupe est également actif dans l’établissement de brevets (6 brevets depuis 2011) et accueille un projet de maturation financé par la SATT Grand Centre (Société d’accélération de Transfert de Technologie).

Équipements

Afin de caractériser les composés conçus au sein de l’équipe, nous avons construit un ensemble d’équipements uniques pour les études spectroscopiques des composés luminescents en visible et proche-infrarouge : système de mesure de temps de vie ns-us-ms, à température variable de 10K à ambiante, avec excitation à des longueurs d’onde comprises entre 266 et 700 nm ; analyse spectroscopique haute résolution en excitation et émission visible et proche-infrarouge ; mesure de rendements quantiques visible et proche-infrarouge ; imagerie de luminescence sur cellule (vidéomicroscopie proche infrarouge, confocale) et sur petit animal (macroscope visible et proche-infrarouge).
En plus de cette activité, notre groupe est responsable de la plateforme de spectroscopie optique au CBM. Le but de cette plateforme est de mettre à la disposition des utilisateurs internes et externes des instruments de spectroscopie de pointe et, au besoin, la formation nécessaire à ses utilisateurs.

 

Principales publications :
  • 1 - Martinić I., Eliseeva S. V. and Petoud S.
    Near-infrared emitting probes for biological imaging : Organic fluorophores, quantum dots, fluorescent proteins, lanthanide(III) complexes and nanomaterials. J. Lumin. (2016) - doi : 10.1016/j.jlumin.2016.09.058
  • 2 - Chow C. Y., Eliseeva S. V., Trivedi E. R., Nguyen T. N., Kampf J. W., Petoud S. and Pecoraro V. L.
    Ga3+/Ln3+Metallacrowns : A Promising Family of Highly Luminescent Lanthanide Complexes That Covers Visible and Near-Infrared Domains. J. Am. Chem. Soc. 138, 5100-5109, doi : 10.1021/jacs.6b00984 (2016).
  • 3 - Trivedi E. R., Eliseeva S. V., Jankolovits J., Olmstead M. M., Petoud S. and Pecoraro V. L.
    Highly Emitting Near-Infrared Lanthanide “Encapsulated Sandwich” Metallacrown Complexes with Excitation Shifted Toward Lower Energy. J. Am. Chem. Soc. (2014) 136, 1526-1534 - doi : 10.1021/ja4113337
  • 4 - Foucault-Collet A., Shade C. M., Nazarenko I., Petoud S. and Eliseeva S. V.
    Polynuclear Sm(III) polyamidoamine-based dendrimer : a single probe for combined visible and near-infrared live-cell imaging. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 2927-2930 (2014) - doi : 10.1002/anie.201311028 (2014).
  • 6 - Foucault-Collet A., Gogick K. A., White K. A., Villette S., Pallier A., Collet G., Kieda C., Li T., Geib S. J., Rosi N. L. and Petoud S.
    Lanthanide near infrared imaging in living cells with Yb3+ nano metal organic frameworks. Proc. Nat. Acad. Sci. (2013) 110, 17199-17204 - doi : 10.1073/pnas.1305910110

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