Polyrotaxanes de cyclodextrines pour l’imagerie bimodale

L’imagerie médicale, qui a débuté à la fin du XIXème siècle par le développement de la radiographie, a pour but de fournir des images du corps humain. Le développement de différentes techniques comme l’imagerie par résonance magnétique permet d’avoir accès à des informations de plus en plus précises notamment sur les métabolismes physiologiques de l’organisme. La nécessité de comprendre les mécanismes (à l’échelle moléculaire notamment) qui sont impliqués dans les maladies telles que le cancer et les diagnostics précoces, explique que la recherche dans l’imagerie médicale est encore un domaine en pleine expansion. Chaque technique présente individuellement des avantages et limitations en termes de sensibilité, résolution ou toxicité. Ainsi la recherche sur la combinaison de plusieurs types d’imagerie est l’un des défis principaux de ce domaine.

Imagerie médicale

De nos jours l’utilisation des techniques d’imagerie pour le diagnostic des maladies comme le cancer et la compréhension des processus biologiques est très importante.[1, 2] L’apport des nouvelles technologies, notamment l’amélioration des capacités informatiques, a permis aux différentes techniques d’évoluer rapidement permettant l’accès aux informations au niveau cellulaire voire moléculaire. De nombreuses techniques d’imagerie ont ainsi vu le jour ces dernières décennies. Elles peuvent être classées soit selon l’énergie utilisée pour produire une image (les rayons X, l’infrarouge, etc.) (Figure 1) soit selon leur résolution spatiale : l’imagerie structurelle donne des informations sur l’anatomie et l’imagerie fonctionnelle s’intéresse plus au fonctionnement des organes et au déroulement de processus biologiques.

Les systèmes d’imagerie structurelle qui donnent des informations anatomiques sont maintenant couramment utilisés dans le diagnostic. Ces systèmes comprennent :
♦ la tomodensitométrie (CT pour « computed tomography » en anglais) qui utilise l’absorption des rayons X par les tissus.
♦ l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) qui enregistre la résonance nucléaire des protons de l’eau dans l’organisme sous un champ magnétique.
♦ l’échographie qui utilise la réflexion des ultrasons par les tissus.

Pour obtenir des clichés d’imagerie fonctionnelle, différentes méthodes existent :
♦ la tomographie par émission de positrons (PET) qui enregistre les émissions issues de la désintégration d’un produit radioactif qui a été au préalable injecté dans l’organisme.
♦ la tomographie d’émission photonique (SPECT) .
♦ les méthodes de fluorescence.

Dans cette thèse nous nous intéressons plus particulièrement à l’IRM et l’imagerie optique de fluorescence.

Les techniques d’imagerie

L’imagerie par résonance magnétique

L’imagerie par résonance magnétique nucléaire est l’une des méthodes d’imagerie les plus importantes de nos jours pour le diagnostic et la recherche médicale. Plus de 60 millions de diagnostics sont enregistrés par an. En effet, l’IRM présente plusieurs avantages : une très haute résolution spatiale et temporelle, une pénétration tissulaire importante, et elle n’utilise pas de rayons ionisants et est non invasive. De ce fait cette technique d’imagerie et le développement des concepts de la résonance magnétique nucléaire ont fait l’objet de plusieurs prix Nobel : Block et Purcell en 1952 (“ for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith”) , Ernst en 1991 (“ for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy”) , Wüthrich en 2002 (“for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution”), et Laubertur et Mansfield en 2003 (“for their discoveries concerning magnetic resonance imaging”).

L’IRM consiste en la détection des spins nucléaires des protons de l’eau qui représentent 63 % des atomes d’hydrogène présent dans le corps humain. Le contraste en IRM dépend de plusieurs paramètres comme la densité de spins (les tissus riches en eau ont un signal intense), des temps de relaxation des protons, du champ magnétique et de la séquence impulsionnelle. Deux types de relaxation existent :
♦ la vitesse de relaxation longitudinale ou spin-réseau (R1 = 1/T1). Les signaux détectés seront d’autant plus intenses que le R1 est grand (T1 petit).
♦ la vitesse de relaxation transversale ou spin-spin (R2 = 1/T2). Les signaux détectés seront d’autant plus intenses que le R2 est faible (T2 grand). Une acquisition IRM peut se faire sans adjonction d’agent de contraste (AC). Néanmoins, l’utilisation d’un AC permet d’améliorer de façon très significative et de compenser le manque de sensibilité de la méthode.

Les agents de contraste
Le principal inconvénient de l’IRM est donc sa faible sensibilité. C’est pourquoi entre 30 et 40 % des acquisitions nécessitent l’utilisation d’un agent de contraste.[3] Le rôle d’un agent de contraste est de modifier la vitesse de relaxation des protons. Si R1 augmente (contraste positif), les signaux détectés sont plus intenses en revanche si R2 augmente, l’intensité des signaux détectés diminue (contraste négatif). Les ACs peuvent être classés en fonction de leur biodistribution dans l’organisme ou des propriétés magnétiques (influence sur le T1 ou le T2). L’influence sur le temps de relaxation dépend de la nature chimique de l’AC utilisé. Les ACs peuvent être classés selon leurs propriétés magnétiques :
♦ les ACs superparamagnétiques
♦ les ACs paramagnétiques

Les agents superparamagnétiques ont une influence sur le temps de relaxation transversale T2. Les composés qui sont sur le marché sont composés d’oxyde fer (Fe3O4 et Fe3O4) et sont surtout employés pour la détection des cancers du foie et de la rate. Ces composés sont des particules d’oxyde de fer qui sont encapsulées dans une coque protectrice (dextrane ou siloxane par exemple). Il existe plusieurs types de ces agents superparamagnétiques qui dépendent de la taille des particules:
♦ les USPIO (« ultrasmall superparamagnetic iron oxide ») pour un diamètre inférieur à 50 nm.
♦ les SPIO (« small superparamagnetic iron oxide ») pour un diamètre compris entre 50 nm et 1 µm
♦ les MPIO (« micron-sized iron oxide ») .

Les ACs utilisant le Gd(III) sont des agents paramagnétiques. Le Gd(III) avec 7 électrons célibataires (spin 7/2) possède le moment magnétique électronique le plus important. La relaxation se fait en général à travers l’espace avec une interaction de type dipôle-dipôle entre le complexe paramagnétique et les protons de l’eau. Les ACs paramagnétiques modifient le T1. De nombreux complexes de Gd(III) ont été mis sur le marché (Figure 2). Les complexes de Mn(II) ayant un spin de 5/2 peuvent également être utilisés comme agent de contraste paramagnétique. Dans la suite du manuscrit nous nous intéresserons uniquement aux ACs paramagnétiques, notamment les complexes de Gd(III). La plupart des agents de contraste utilisés sont des complexes de gadolinium(III) qui représentent 95% de la totalité des ACs injectés par an.

Table des matières

INTRODUCTION
I. IMAGERIE MEDICALE
1. Les techniques d’imagerie
a. L’imagerie par résonance magnétique
b. Imagerie optique de fluorescence
2. Imagerie bimodale
II. ROTAXANES ET POLYROTAXANES
1. Les rotaxanes
a. Généralités sur les rotaxanes
b. Les rotaxanes de cyclodextrine
2. Polyrotaxanes
a. Polyrotaxanes de cyclodextrines natives
b. Polyrotaxanes de cyclodextrines fonctionnalisées
III. POLYROTAXANES POUR L’IMAGERIE BIMODALE
CHAPITRE 1 : SYNTHESE DES CYCLODEXTRINES FONCTIONNALISEES
I. SYNTHESE DE LA CYCLODEXTRINE AZOTURE
1. La « chimie click »
a. Concept
b. Réaction de Huisgen et la réaction catalysée au Cuivre (CuAAC)
2. Mono- et di- fonctionnalisation des cyclodextrines
a. Mono-fonctionnalisation
b. Di-fonctionnalisation
c. Fonctionnalisation des CDs par protection-déprotection sélective
3. Synthèse de la CDN3 et de la CD(N3)2
II. SYNTHESE DE CDS FONCTIONNALISEES PAR UN COMPLEXE POUR L’IRM
1. Généralités
2. Synthèse de l’agent de contraste
3. Relaxivité des agents de contraste
III. SYNTHESE DE CDS FONCTIONNALISEES PAR DES SONDES FLUORESCENTES
1. CD BODIPY
a. Généralités
b. Synthèse
c. Propriétés optiques
2. CD cyanine
a. Généralités
b. Synthèse
c. Propriétés optiques
3. CD Europium
a. Généralités sur les lanthanides
b. Synthèse
IV. CONCLUSION
CHAPITRE 2 : CHOIX DE L’AXE ET SYNTHESE DE ROTAXANES
I. PSEUDO-ROTAXANES DE CYCLODEXTRINES
1. Généralités
2. Etudes thermodynamiques
a. Mesure des coefficients de diffusion
b. Choix de l’axe
3. Etudes cinétiques
II. SYNTHESE DES ROTAXANES
1. Rotaxanes de cyclodextrines
2. Synthèses de rotaxanes modèles
a. Choix du bouchon
b. Synthèse des rotaxanes fonctionnalisés
c. Mesures de relaxivités avec les [3]rotaxanes de Gadolinium
III. SYNTHESE D’OLIGOROTAXANES
IV. CONCLUSION
CHAPITRE 3 : POLYROTAXANES BIMODAUX
I. POLYROTAXANES AVEC UN AXE PEG
1. Généralités
2. Synthèse de polyrotaxanes à base de PEG
a. Avec l’α-CD native
b. Avec les CDs fonctionnalisées
II. POLYROTAXANES AVEC UN AXE POLYAMMONIUM
1. Généralités
2. Axe polyamine protoné
3. Axe polyammonium permethylé
a. Etude avec de la cyclodextrine native
b. Polyrotaxanes fonctionnalisés
4. Propriétés
a. Fluorescence
b. Mesures de relaxivités
III. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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