Photoprotection des porphyrines naturelles et leurs dérivés

Propriétés optiques

Les porphyrines présentent des spectres d’absorption et d’émission de fluorescence caractéristiques. À titre d’exemple, les spectres d’absorption et d’émission de fluorescence de la tétraphényl porphyrine base libre (H2·TTP) sont représentés à la figure 1.46a . L’interprétation admise pour expliquer le spectre optique des porphyrines est la suivante : une bande d’absorption très forte est située dans le proche ultraviolet (proche UV) autour de 400 nm (connue sous le nom de bande de Soret ou bande B), correspondant à la transition de l’état électronique fondamental au second état électronique singulet (S2~SO). Cette bande disparaît lorsque l’ aromaticité du macrocycle est rompue. Dans la région du spectre visible, il existe quatre bandes supplémentaires autour de 500 à 760 nm dénommées bandes Q, responsables de la coloration intense de ces composés. Ces bandes d’absorption sont le résultat de la transition de l’ état · électronique fondamental au premier état électronique singulet (Sl~SO) .

L’intensité des bandes Q des porphyrines est généralement sensible aux variations de structures du macrocycle. En effet, les bandes Q voient leur intensité relative varier considérablement, en fonction de la nature et de la position des substituants sur le macrocycle7 . La plupart des porphyrines naturelles, telles que les chlorophylles, les bactériochlorophylles et leurs dérivés, ont des bandes d’absorption Q dans le proche infrarouge entre 650 et 780 nm et plusieurs ont été étudiées par divers chercheurs8 pour leur utilisation comme agent photosensibilisateur. Par surcroît, l’excitation des chromophores porphyriques conduit à l’observation de deux fortes bandes d’émission de fluorescence, situées dans le NIR autour de 670 à 720 nm. Les interprétations du comportement photophysique des porphyrines sont résumées sur le diagramme de Jablonski, représenté à la figure 1.5.

Propriétés photochimiques

Non seulement l’excitation des chromophores porphyriques produit généralement de la photoluminescence (fluorescence ou phosphorescence), mais elle permet également la production des dérivés réactifs de l’oxygène (en anglais reactive oxygen species, ROS). comme l’anion superoxyde (02′-), l’oxygène singulet e02), le radical hydroxyle (OH’), le peroxyde d’hydrogène H20 2, etc. Lorsque le photosensibilisateur (PS) à l’état fondamental singulet epS) est stimulé par une lumière correspondant à son pic d’absorption, il est promu à son état singulet excité (lpS*). Dans cet état, plusieurs processus de dés excitation peuvent se produire rapidement, afm de ramener le 1 PS * à son état fondamental IpS. Cependant, le processus de désexcitation indispensable à la formation des ROSs est la conversion intersystème (ISC pour intersystem crossing), à l’ origine de la formation des PSs à l’état triplet e pS*). Cet état triplet est moins énergétique que l’état singulet excité et possède une durée de vie beaucoup plus longue que celle de l’état singulet excité (micro/millisecondes au lieu de nanosecondes). Le 3PS* peut revenir à l’état fondamental en émettant son énergie sous forme d’un photon (phénomène de phosphorescence), ou bien il peut interagir avec des molécules abondantes dans son environnement immédiat, tel que l’oxygène. L’interaction du 3PS* avec l’oxygène peut se produire de deux façons distinctes :

• Soit le 3PS * transfère directement un électron, parfois de concert avec un don de protons à la molécule d’oxygène pour former O2.-, pouvant par la suite former d’autres ROS comme le OH· et le H20 2 (Figure 1.6). Cette réaction photochimique est appelée réaction de Type 19

. • Soit le 3PS* transfère son énergie par collision à la molécule d’oxygène. Compte tenu des règles de sélection qui spécifient que les interactions triplettriplet sont autorisées, alors que les interactions triplet-singulet sont interdites \0, le 3PS * peut donc réagir facilement avec l’oxygène moléculaire, 302 l’une des rares molécules de la nature dont l’état fondamental est un état tripletll . Cette réaction photochimique, connue sous le nom de réaction de Type II, est à l’origine de la formation du 102 (Figure 1.6)9.

Applications potentielles

Bien que le rôle biologique et physiologique des porphyrines dans leur milieu naturel soit bien connu, leur potentiel d’utilisation dans le développement des biotechnologies commence à peine à être élucidé. Du fait que les maximas des bandes d’absorption et d’émission des porphyrines naturelles sont situés dans la fenêtre thérapeutique (typiquement entre 650 et 900 nm), c’est-à-dire là où l’absorption globale des tissus biologiques est minimale, ils peuvent être utilisés comme agent de contraste pour l’imagerie optique· par fluorescence. En effet, Fan et ses collègues ont étudié la possibilité d’utiliser les porphyrines endogènes comme produit de contraste pour l’imagerie médicalel2 . Ils ont démontré que les molécules de chlorophylles, extraites des feuilles de Chimonanthus salicifoliues, pourraient servir à l’imagerie clinique des ganglions sentinelles, c’est-à-dire, les premiers ganglions axillaires les plus proches de la tumeur et donc susceptibles d’être envahis par les cellules cancéreuses. De plus, leurs résultats des tests de cytotoxicité confirment que les molécules de chlorophylles présentent une très faible toxicité.

Ceci suggère que ces composés abondants dans nos écosystèmes pourraient potentiellement être utilisés en imagerie médicale. Il y a également un intérêt croissant pour l’utilisation de photosensibilisateurs (PSs), à base de porphyrine naturelle, comme produit pour le théranostique (c ‘est-à-dire l’association d’une thérapeutique et d’un test diagnostique). L’idée derrière cette application est de tirer avantage de la fluorescence, dans le proche infrarouge des porphyrines naturelles pour le diagnostic par fluorescence, et de leurs fortes capacités de génération d’oxygène singulet pour la thérapie photodynamique (PDT). La PDT est un traitement du cancer, cliniquement approuvé, combinant trois ingrédients: un agent photo dynamique (activé par la lumière) appelé PS, la lumière et l’oxygène. À cet égard, une équipe de chercheurs de l’Université de Toronto, et leurs collègues de l’Université de Shanghai ont récemment conçu et synthétisé une sonde théranostique à base d’un dérivé de la bactériochlorophylle et un agent de ciblage (peptide) . ils ont démontré qu’en utilisant une telle sonde, il est possible, p~ imagerie de fluorescence de la bactériochlorophylle, de différencier les tissus sains des tumeurs. De plus, la capacité qu’a la bactériochlorophylle à générer l’oxygène singulet par photosensibilisation permet de détruire sélectivement les cellules cancéreuses ciblées, tout en épargnant les tissus sains. Ainsi, ces résultats démontrent clairement l’énorme potentiel, encore inexploité des porphyrines endogènes à servir comme agents multifonctionnels, capable de jouer un rôle primordial en thénostique, nouvel espoir dans la lutte contre le cancer. Par ailleurs, la forte capacité de génération d’oxygène singulet des porphyrines naturelles suscite également un attrait pour le développement de technologies, basées sur le traitement photodynamique, pour éradiquer les agents pathogéniques, tels que les bactéries, les levures, les parasites et les champignons14 (Figure 1.7).

Par exemple, les chercheurs du secteur agricole étudient de nouvelles façons d’éliminer les insectes nuisibles. Étant donné que l’utilisation des pesticides usuels suscite beaucoup d’inquiétudes aujourd’hui, il est plus que nécessaire d’opter pour des solutions de rechange. En effet, en remplacement des pesticides chimiques actuels, représentant un danger aussi bien pour l’environnement que pour notre santé, la recherche s’ oriente donc, à juste titre, vers le développement d’ insecticides naturels activés par la lumière solaire (plus communément appelé insecticide photodynamique ou photo-insecticide)l5. Ces types de pesticides ont la capacité de contrôler la population d’insectes nuisibles. Wohllebe et ses collègues ont étudié la possibilité d’utiliser les dérivés de porphyrines naturelles afin d’éliminer les insectes nuisibles. Ils ont démontré que les espèces réactives de l’oxygène, générées par photosensibilisation de la chIorophylline (résultant de la chlorophylle après élimination de la longue queue liposoluble d’ hydrocarbures, queue phytol) et la pheophorbide (un produit de la dégradation de la chlorophylline), sont capables de tuer les larves de moustiques et d’autres petits insectes, au bout de quelques heures d’exposition au rayonnement solaire l6. Cette étude illustre parfaitement que l’emploi des porphyrines naturelles, comme agent de photo-insecticide, constitue une méthode de valorisation économico environnementale permettant de développer des insecticides efficaces et à faible empreinte écologique.

Table des matières

REMERCIEMENTS
AVANT-PROPOS
RESUME
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ACRONYMES, SIGLES ET SYMBOLES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Mise en contexte : généralités sur les porphyrines et leurs dérivés
1.2 Structure des porphyrines
1.3 Nomenclature
1.4 Propriétés des porphyrines
1.4.1 Propriétés optiques
1.4.2 Propriétés photochimiques
1.5 Intérêts et limites des porphyrines endogènes
1.5.1 Applications potentielles.
1.6 Problème
1.7 Revue de la littérature sur les différentes méthodes de photoprotection des porphyrines naturelles et leurs dérivés
1.8 Présentation du projet de thèse
1.9 Notions essentielles sur l’augmentation de l’émission de fluorescence d’un fluorophe par un métal
LION otions essentielles sur l’augmentation de la production d’oxygène singulet à du photosensibilisateur par un métal
1.11 Hypothèses de recherche
1.12 Objectif général de cette thèse
1.13 Objectifs opérationnels
1.14 Organisation du document
1.15 Références
CHAPITRE II BENEFICIAL ROLE OF GOLD NANOPARTICLES AS PHOTOPROTECTOR OF MAGNESIUM TETRAPHENYLPORPHYRIN
2.1 Résumé de l’article
2.2 Premier article scientifique
Abstract
Introduction
Experimental section
Materials and methods
Synthesis of Au nanoparticles
Photodegradation measurements
X-Ray Photoemission Spectroscopy (XPS)
Percentage photoprotection
Determination of the fraction of the light absorbed by MgTPP (5.3 /lM) and AuNPs of varying concentrations (2-130 /lM) in the mixture ofMgTPP and AuNPs
Results and discussion
Conclusions
Acknowledgments
Références
CHAPITRE III ENHANCED PHOTOSTABILITY OF CHLOROPHYLL-A USING GOLD NANOP ARTICLES AS AN EFFICIENT PHOTOPROTECTOR
3.1 Résumé de l’article
3.2 Deuxième article scientifique
Abstract
Introduction
Materials and methods
Materials
Synthesis of gold nanoparticles (AuNPs)
Photodegradation measurements
Absorption and emission spectrometry
Transmission electron microscopy (TEM)
X-ray photoemission spectroscopy (XPS)
Percentage photostability
Results
Photodegradation of chlorophyll-a (ChIa
Photoprotective action of go Id nanoparticles
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies
Comparison of the photoprotective ability of AuNPs with other
Chla photoprotectors
Discussion
Conclusions
Acknowledgments
Références
CHAPITRE IV NANO-SILVER COULD USHER IN NEXT GENERATION PHOTOPROTECTIVE AGENTS FOR NATURAL PORPHYRINS
4.1 Résumé de l’article
4.2 Troisième article scientifique
Abstract
Experimental Section
Acknowledgements
References
CHAPITRE V CONCLUSION ET PERSPECTIVES
5.1 Conclusion générale
5.2 Bilan des résultats
5.3 Contribution de la thèse à l’avancement des connaissances
5.4 Perspectives
5.4.1 Analyser systématiquement l’effet de la taille et de la forme des
nanoparticules sur l’efficacité photoprotectrice
5.4.2 Examiner si la méthode de photoprotection mise en oeuvre dans cette
thèse peut être employée pour l’élaboration des nanoparticules
fonctionnelles pour des applications médicales
5.5 Références
ANNEXE A
MÉTHODES EXPÉRIMENTALES, SYNTHÈSE ET INSTRUMENTATION
A.I Synthèse générale des nanoparticules métalliques en solution
A. 1. 1 Préparation des nanoparticules d’or (AuNPs)
A.1.2 Préparation des nanoparticules d’argent (AgNPs)
A.2 Caractérisation des nanoparticules
A.2.1 Microscopie électronique à transmission (MET
A.2.2 Spectrométrie d’absorption UV-visible
A.2.3 Spectroscopie de photo électrons X (XPS)
A.3 Références

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