Lumière et imagerie in vivo

Lumière et imagerie in vivo 

LA LUMINESCENCE 

Lumière et luminescence 

La lumière 

La lumière est essentielle à la vie telle que nous la connaissons sur Terre puisqu’elle fournit aux végétaux l’énergie pour effectuer la photosynthèse. A travers la photosynthèse, la lumière permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique via la synthèse des sucres. La photosynthèse permet également de fournir le dioxygène dont nous avons besoin et de consommer le gaz carbonique que nous émettons. La fascination pour la lumière remonte à plus de 2000 ans déjà où les philosophes grecs Pythagore, Empédocle, Démocrite ou Aristote spéculaient sur sa nature, sa vitesse (« inexprimable » d’après les écrits de Démocrite) ou la manière dont elle se propage. Les travaux d’Euclide (~ 325 avant J.-C. – ~ 265 avant J.-C.), Snellius (1581-1626) puis Descartes (1596-1650) et Fermat (1601-1665) en optique géométrique ont ensuite apporté de conséquentes avancées concernant les mécanismes de propagation de la lumière mais sa nature même restait encore à découvrir.

Le 17ème siècle a permis les premières investigations concernant la nature de la lumière et ont jeté les prémices qui ont abouti aux théories telles que nous les connaissons aujourd’hui. Huyghens (1629-1695) compare la lumière au son et pour la première fois émet l’hypothèse que la lumière est un phénomène vibratoire qui se propage par ondes. Parallèlement, Newton (1642-1727) est le premier à supposer que la lumière pouvait être représentée comme des corpuscules. Malgré les insuffisances de sa théorie, la notoriété de Newton est telle que la majorité des physiciens du 18ème siècle y adhère et ignore la théorie ondulatoire. Ce n’est que grâce aux travaux de Young (1743-1829) et surtout de Fresnel (1788-1827) que la théorie ondulatoire refait surface et s’impose à la communauté scientifique. Mais un évènement majeur dans l’histoire de la lumière découle des théories de Maxwell (1831-1879) sur l’électromagnétisme et de sa démonstration expérimentale effectuée par Hertz (1857-1894). En effet, l’élaboration des lois de l’électromagnétisme permet de considérer la lumière comme n’étant qu’un cas particulier des ondes électromagnétiques pouvant être vues par l’œil humain. En effet, la rétine contient des récepteurs qui sont sensibles aux longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm. Au-delà de ces longueurs d’onde correspondent les rayons infrarouges (700 nm < λ < 1 mm), les micro-ondes (1 mm < λ < 10 cm), les ondes radio (λ > 10 cm) tandis que les longueurs d’onde inférieures correspondent aux rayonnements ultraviolets (10 nm < λ < 400 nm), rayons X (5 pm < λ < 1 nm) et rayons γ (λ < 5 pm) .

L’universalité de la théorie ondulatoire ainsi admise à la fin du 19ème siècle, Max Planck (1858-1947) apporte un retour à la théorie corpusculaire avec sa théorie des quanta. Il montre que l’énergie lumineuse ne s’échange pas avec la matière de façon continue mais seulement par des paquets d’énergie appelés quanta d’énergie E = hν (ν fréquence du rayonnement ; h constante de Planck, h = 6.626.10⁻³⁴ J. s⁻¹), plus tard appelés photons.

Ainsi, l’état de la science à ce jour permet de définir la lumière comme une onde électromagnétique transportant des photons dont l’énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde (E = hν). Les récentes avancées de la physique visent à unifier cette dualité ondeparticule et marquent une nouvelle étape dans cette passionnante histoire de la lumière.

La luminescence

Le soleil et le feu sont des sources de lumière qui ont permis aux hommes de s’éclairer et de se chauffer. L’origine de cette lumière est thermique car elle est émise par des corps chauffés à haute température : ce phénomène est appelé incandescence et on parle de lumière chaude. La lumière peut aussi résulter d’autres phénomènes qui ne sont pas d’origine thermique : il s’agit de la luminescence, appelée aussi lumière froide. Ainsi, la luminescence peut être définie comme l’émission d’une lumière dans le domaine ultraviolet, visible ou infrarouge grâce à une espèce excitée qui revient à l’état fondamental en émettant de la lumière .

Les espèces luminescentes peuvent être classées selon leur nature :
– Composés organiques : composés aromatiques (naphtalène, anthracène, phenanthrène, pyrène, pérylène, …), fluorescéine, rhodamine, coumarine, oxazines, polyènes, acides aminés (tryptophane, tyrosine, phénylalanine), etc. (vide infra)
– Composés inorganiques : ion uranyle (UO2+), surfaces dopées avec divers éléments métalliques (Nd, Mn, Ce, Sn, Cu, …), nanocristaux (ou Quantum Dots (QD’s) à base de ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaS, …), etc.
– Composés organométalliques : complexes de ruthénium ([Ru(bipy)3]2+ par exemple), complexes de lanthanides (Eu3+, Tb3+ , …), etc.
– Biomolécules (protéines, oligonucléotides, …).

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : Introduction – Lumière et imagerie in vivo
I LA LUMINESCENCE
1 Lumière et luminescence
1. 1 La lumière
1. 2 La luminescence
2 La spectroscopie de fluorescence
2. 1 Les paramètres de la fluorescence
2. 1. 1 Le diagramme de Perrin-Jablonski
2. 1. 2 Les temps de vie de la fluorescence
2. 1. 3 Le déplacement de Stokes
2. 1. 4 Le rendement quantique
2. 1. 5 Le coefficient d’absorption atomique ε
2. 1. 6 La brillance
2. 2 Les paramètres qui influencent la fluorescence
2. 2. 1 Les différents processus de désexcitation
2. 2. 2 Les effets environnementaux
2. 2. 3 Le photoblanchiment
2. 3 Les fluorophores
2. 3. 1 La fluorescence des produits naturels
2. 3. 2 Les fluorophores polyaromatiques
2. 3. 3 Les coumarines
2. 3. 4 Les dérivés du noyau xanthène
2. 3. 5 Les oxazines
2. 3. 6 Les BODIPYs
2. 3. 7 Les cyanines
3 La fluorescence comme outil analytique : les sondes fluorescentes activables
3. 1 Le Transfert d’électron Photoinduit
3. 2 Le FRET
3. 3 Le Transfert de Charge Photoinduit
3. 4 Le Transfert de Proton Photoinduit
3. 5 La pro-fluorescence
3. 6 Exemples de sondes fluorescentes activables
3. 6. 1 Les sondes à pH
3. 6. 2 Les sondes à cations et anions
3. 6. 3 La détection d’enzymes
II L’IMAGERIE MOLECULAIRE
1 Introduction
2 Les différents types d’imagerie moléculaire
3 L’imagerie optique
3. 1 Introduction
3. 2 La pénétration de la lumière dans les tissus
3. 3 Les agents de contraste
3. 3. 1. Les méthodes directes
3. 3. 2. Les méthodes indirectes
3. 4 L’intrumentation
3. 4. 1 L’imagerie planaire
3. 4. 2 La tomographie de fluorescence
3. 5 Conclusion – Perspectives
Chapitre 2 : Synthèse de sondes pro-fluorescentes pour la détection de peptidases
I LA DETECTION DE PEPTIDASES
II LES BRAS REACTIFS AUTO-IMMOLABLES
1 Définition et applications en thérapie
2 Extension aux sondes pro-fluorescentes
III CHOIX DES CIBLES
1 Une peptidase modèle : la Pénicilline G Acylase (PGA)
2 Une enzyme d’intérêt : la caspase-3
2. 1 L’apoptose
2. 2 Le processus apoptotique
2. 2. 1 La voie extrinsèque
2. 2. 2 La voie intrinsèque
2. 2. 3 Le rôle des caspases
2. 3 La détection de la caspase-3
2. 3. 1 Les sondes auto-quenchées
2. 3. 2 Les sondes FRET
2. 3. 3 Les sondes pro-fluorescentes
2. 3. 4 Autres sondes
IV UTILISATION D’UN BRAS REACTIF DERIVE DE L’ACIDE HOMOVANILLIQUE
1 Principe
2 Synthèse de sondes pour la détection de la PGA
3 Synthèse de sondes pour la détection de la caspase-3
3. 1 Synthèse du tétrapeptide DEVD
3. 1. 1 Stratégie
3. 1. 2 Synthèse du dipeptide Ac-DE-OH
3. 1. 3 Synthèse du dipeptide H+ -VD-Bn
3. 1. 4 Synthèse du tétrapeptide Ac-DEVD-OH
3. 2 Synthèse et introduction du linker de H. Waldmann
V UTILISATION D’UN BRAS REACTIF DERIVE DE L’ALCOOL p-AMINOBENZYLIQUE
1 Introduction
2 Utilisation du PABA pour la détection de la PGA
2. 1 Introduction de la 7-hydroxycoumarine
2. 1. 1 Synthèse
2. 1. 2 Evaluation des caractéristiques spectrales et clivage par la PGA
2. 2 Extension aux fluorophores émettant dans le rouge
2. 2. 1 Synthèse
2. 2. 2 Evaluation des caractéristiques spectrales et clivage par la PGA
3 Utilisation du PABA pour la détection de la caspase-3
3. 1 Introduction de la 7-hydroxycoumarine
3. 1. 1 Synthèse
3. 1. 2 Evaluation des caractéristiques spectrales et clivage par la caspase-3
3. 1. 3 Détermination des paramètres de cinétique
3. 2 Introduction de DAO
3. 2. 1 Synthèse
3. 2. 2 Evaluation des caractéristiques spectrales et clivage par la caspase-3
3. 3 Conclusion
VI DEVELOPPEMENT DE PRO-FLUOROPHORES HYDROSOLUBLES EMETTANT DANS LE PROCHE IR
1 Stratégie
2 Synthèse des hybrides hémicyanine-coumarine
2. 1 Synthèse des aldéhydes précurseurs
2. 2 Synthèse des hybrides hémicyanine-coumarine
3 Caractéristiques spectrales des hybrides hémicyanine-coumarine
4 Application à la détection de la PGA
VII CONCLUSION-PERSPECTIVES
Chapitre 3 : Synthèse de sondes chémiluminescentes pour la détection de peptidases
I LA CHEMILUMINESCENCE
1 La bioluminescence
1. 1 Origines et mécanismes de la bioluminescence
1. 2 Applications de la bioluminescence
2 La Chémiluminescence
3 Les sondes chémiluminescentes
II SYNTHESE ET EVALUATION D’UNE SONDE CHEMILUMINESCENTE POUR LA DETECTION DE LA CASPASE-3
1 Résultats préliminaires
2 Synthèse de la sonde chémiluminescente
3 Clivage par la caspase-3
4 Conclusion
III AUGMENTATION DE L’EMISSION DES DIOXETANES ET EXTENSION DE L’EMISSION VERS LE ROUGE
1 Remarques préliminaires
2 Première stratégie : Transfert d’énergie à travers l’espace
2. 1 Principe
2. 2 Synthèse
3 Deuxième stratégie : Transfert d’énergie à travers les liaisons
3. 1 Introduction
3. 2 Synthèse d’un cœur chémiluminescent dérivé du naphtalène
3. 2. 1 Synthèse
3. 2. 2 Conclusion
3. 3 Synthèse d’un cœur chémiluminescent dérivé phénylique
IV CONCLUSION
Chapitre 4 : Experimental section
CONCLUSION

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