Nanocristaux à luminescence persistante : nouveaux concepts pour l'imagerie in vivo

194 Pages·2016·19.66 MB·French

by  Thomas Maldiney

Nanocristaux à luminescence persistante: nouveaux
concepts pour l’imagerie in vivo
Thomas Maldiney
To cite this version:
Thomas Maldiney. Nanocristaux à luminescence persistante: nouveaux concepts pour l’imagerie in
vivo. Matériaux. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ￿NNT: ￿. ￿pastel-
00831281￿
HAL Id: pastel-00831281
https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00831281
Submitted on 6 Jun 2013
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
´
Ecole Doctorale : iViv - ED 387
`
THESE DE DOCTORAT
´
DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Sp´ecialit´e : Chimie du solide
pr´esent´ee par :
Thomas Maldiney
pour obtenir le grade de Docteur de l’Universit´e Pierre et Marie Curie
Nanocristaux a` luminescence persistante :
nouveaux concepts pour l’imagerie in vivo
sous la direction scientifique du Dr. Cyrille Richard
soutenue le 20 septembre 2012
devant le jury compos´e de :
Rapporteurs : Pr. Olivier Tillement
Pr. Bertrand Tavitian
Pr´esident : Pr. Germain Trugnan
Examinateurs : Pr. Olivier Cle´ment
Pr. Didier Gourier
Directeur de th`ese : Dr. Michel Bessodes
Co-directeur de th`ese : Dr. Cyrille Richard
Pr´eface
Depuis la d´ecouverte des rayons X en 1895 par Ro¨ntgen, l’imagerie a su se rendre indispensable dans
de nombreux domaines de la m´edecine, notamment pour les essais cliniques et le diagnostic. Les diff´erents
syst`emes d’imagerie peuvent ˆetre regroup´es selon le type de rayonnement a` l’origine de l’information
(rayons X, positons, photons, ondes acoustiques...) ou la qualit´e de la mesure, i.e. sa pr´ecision (anato-
mique, physiologique, cellulaire ou mol´eculaire). La plupart des appareils utilis´es en clinique sont des
syst`emes d’imagerie macroscopique. Ils fournissent une information anatomique (rayons X, scanner) et
physiologique/fonctionnelle (IRM, ´echographie, TEP)1.
PET PET–CT
T
E
P MRI LN-MRI Diffusion MRI
actice MRI Ultrasound Interventional ultrasound
pr
Clinical Ultrasound X-rays X-rays CT MSCT MSCT
T
C
d
n
a
ays
X-r
1900 1920 1940 1960 1970 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Diaphanoscopy Fibre optic FRI BLI HR-FRI
Figure 1 – Principales techniques d’imagerie macroscopiques utilis´ees en clinique1
Pourlemomentunpeuenmargedestechniquesmacroscopiquesderoutine,l’imagerieoptiquemol´eculaire
estsouventconsid´er´eecommelefuturdel’imageriem´edicale.Elleestd´efiniecommelacaract´erisationetla
mesure optique de processus biologiques `a l’´echelle cellulaire et mol´eculaire. De mani`ere encore plus large,
onlad´efinitcommeunetechniquepermettantdesuivreetd’enregistrer,demani`eredirecteouindirecte,la
distribution spatio-temporelle de processus cellulaires ou mol´eculaires pour des applications en biochimie,
biologie,th´erapeutiqueoudiagnostic,celaenutilisantlesphotonscommeprincipalesourced’information.
Le travail de th`ese pr´esent´e dans ce manuscrit porte sur l’optimisation et le d´eveloppement d’une nouvelle
sonde d’imagerie optique exploitant le ph´enom`ene de luminescence persistante pour le diagnostic optique
in vivo chez le petit animal. Il s’organisera autour de trois axes principaux :
1. Introduction - Partie I : Le premier chapitre de cette partie introductive assez g´en´erale sur l’ima-
gerie optique nous permettra tout d’abord de revenir sur la physique des principaux ph´enom`enes
luminescents, mais aussi de mieux comprendre les singularit´es qui d´efinissent l’identit´e de chaque
outil et chaque technique. Le second chapitre de cette introduction sera consacr´e `a la pr´esentation
des principales sondes photoniques utilis´ees aux fins de diagnostic optique et d’imagerie chez le petit
animal. Nous remarquerons ici qu’une liste exhaustive de ce type d’outils demanderait tr`es certai-
nement un effort bibliographique bien plus cons´equent que celui auquel nous nous attacherons dans
cette partie. Nous traiterons plus particuli`erement des sondes d’imagerie dont les d´eveloppements
nous ont paru prometteurs pour de futures applications au domaine biom´edical.
2. R´esultats exp´erimentaux - Parties II `a V : Les r´esultats obtenus au cours de cette th`ese seront
ensuite expos´es sous la forme d’une succession d’articles scientifiques publi´es, soumis, ou en attente
de soumission.
3. Conclusion - Partie VI : Une conclusion g´en´erale pr´esentera enfin un bilan d’ensemble de cette
p´eriode, les faits et r´esultats marquants obtenus au cours de ce doctorat, ainsi que quelques pistes
der´eflexionsdestin´ees`amessuccesseurssurleprojet,et`atousceuxquilesjugerontutilesoudignes
d’int´erˆet.
1. Weissleder R, Pittet MJ. Imaging in the era of molecular oncology. Nature. 2008;452(7187) :580-9
2
Table des mati`eres
I Introduction g´en´erale sur l’imagerie optique 5
1 Les ´emissions de lumi`ere 7
1.1 Les photoluminescences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.1 Fluorescence avec absorption monophonotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2 Fluorescence avec absorption biphotonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3 Fluorescence retard´ee et phosphorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.4 Les centres color´es NV du diamant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.5 Effets de confinement et boˆıtes quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.6 Upconversion de photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Les autres luminescences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Chimiluminescence et bioluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Electroluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3 Triboluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 Thermoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 La luminescence persistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Bref historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Le m´ecanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Les sondes d’imagerie optique 21
2.1 Les milieux biologiques imposent des contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Autofluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.3 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Les sondes mol´eculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Fluorophores organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Les rapporteurs photoluminescents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Complexes phosphorescents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Ch´elates de lanthanides Ln3+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Les nanoparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Des fluorophores dans une nanoparticule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Les nanoparticules de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3 Les boˆıtes quantiques ou quantum dots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.4 Les nanoparticules `a upconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.5 Les nanoparticules `a luminescence persistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
II Un premier nano-outil prometteur : Ca Zn Mg Si O (Eu2+, Mn2+, Dy3+) 49
0.2 0.9 0.9 2 6
3 Premi`eres preuves de ciblage in vitro 51
3.1 R´ealiser un ciblage in vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Deux strat´egies efficaces pour le ciblage de cellules canc´ereuses . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 Controˆler la biodistribution de nanoparticules in vivo 67
4.1 Deux param`etres essentiels `a la circulation des nanocristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Des propri´et´es optiques qui limitent les futures utilisations in vivo . . . . . . . . . . . . . 77
3
4 TABLE DES MATIE`RES
III Am´elioration des propri´et´es optiques de mat´eriaux`a luminescence persistante 79
5 Le cas isol´e du nitridosilicate : Ca2Si5N8 (Eu2+, Tm3+) 81
5.1 Pourquoi le nitridosilicate plutˆot que le silicate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Une transposition difficile aux applications in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Vers une persistance plus longue du silicate in vivo 91
6.1 Le mod`ele de la diopside : CaMgSi2O6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Une nouvelle composition pour l’imagerie optique du petit animal . . . . . . . . . . . . . 98
IV Le pas en avant pour l’imagerie optique in vivo : ZnGa O (Cr3+) 99
2 4
7 L’excitation visible de ZnGa2O4 (Cr3+) 101
7.1 L’efficacit´e du gallate massif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 De nouvelles perspectives pour l’imagerie optique in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Un param`etre de plus pour controˆler la biodistribution in vivo 125
8.1 Comment ´eviter le syst`eme monocyte-macrophage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.2 Une circulation nettement am´elior´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
V Nouveaux concepts `a luminescence persistante pour l’imagerie in vivo 149
9 L’imagerie bimodale optique-IRM 151
9.1 L’id´ee de plateforme multimodale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2 La luminescence persistante pour l’imagerie bimodale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10 Un outil hybride pour la th´eranostique 161
10.1 L’int´erˆet du syst`eme cœur-coquille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
10.2 La luminescence persistante en th´eranostique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
VI Conclusion 185
11 Bilan g´en´eral et perspectives 187
12 Publications 191
Premi`ere partie
Introduction g´en´erale sur l’imagerie
optique
5

Chapitre 1
Les ´emissions de lumi`ere
Sommaire
1.1 Les photoluminescences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Les autres luminescences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 La luminescence persistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Il pourrait paraˆıtre assez curieux d’employer un pluriel pour d´ecrire le simple ph´enom`ene d’´emission
lumineuse. Notre œil, pourtant complexe d’un point de vue biologique ou physiologique, n’est sensible
qu’`a la derni`ere ´etape, r´esultante des ph´enom`enes optiques par lesquels une substance ´emet une onde
´electromagn´etique `a laquelle notre syst`eme cˆones/bˆatonnets peut r´eagir : voil`a ce que nous appelons
lumi`ere! Il nous est ainsi possible d’acc´eder `a certaines donn´ees physiques caract´eristiques de cette onde.
Sa fr´equence et son amplitude sont respectivement li´ees `a la couleur et `a l’intensit´e du signal per¸cu
par notre sens. Pourtant, une analyse physique de ces ph´enom`enes permet de distinguer de nombreuses
´emissions lumineuses `a l’origine d’une mˆeme couleur. A titre d’exemple, la luminescence de la pierre de
Bologne, d´ecouverte par un chausseur italien nomm´e Casciarolo de Bologne en 16022, et celle de la partie
inf´erieure de l’abdomen des lucioles ne sont absolument pas de mˆeme nature (Fig. 1.1).
Figure 1.1 – Tsuneaki Hiramatsu a parcouru les villes d’Okayama et Maniwa au Japon pendant la saison
des pluies. C’est `a cette p´eriode que les minuscules Lampyridae s’accouplent apr`es les orages. En ressort
une s´erie de forˆets f´e´eriques.
On distingue g´en´eralement les ph´enom`enes d’incandescence, ou ´emissions ”chaudes”, par lesquels un
corps port´e `a haute temp´erature ´emet naturellement de la lumi`ere, des ´emissions ”froides” dont l’origine
n’est associ´ee `a aucune augmentation de temp´erature. Ces derni`eres, couramment regroup´ees sous le
terme g´en´eral de luminescence, sont associ´ees `a l’´emission spontan´ee de photons apr`es absorption d’une
quantit´e d’´energie donn´ee. Selon la nature de l’excitation et de la relaxation, on parle de fluorescence, de
phosphorescence, de fluorescence retard´ee, de bioluminescence, ou de chimiluminescence. Cette premi`ere
partie sera l’occasion de d´etailler les ph´enom`enes physiques associ´es aux diff´erentes´emissions lumineuses,
2. Y. Murayama, in Phosphor Handbook, S. Shionoya and W. M. Yen, Editors, p. 651, CRC Press, Boca Raton (1999)
7
8 CHAPITRE 1. LES E´MISSIONS DE LUMIE`RE
mais aussi de comprendre les ´el´ements qui font leur singularit´e. Le diagramme de Jablonski donnera une
id´ee g´en´erale des transitions impliqu´ees dans ces nombreux processus photoluminescents (Fig. 1.2).
Excitations
4
3
2
S
2 Niveaux vibrationnels
1
0
Etats singulets excités Conversion
interne
Croisement
4 inter-système
3
2 Etat triplet excité
S
1
1
4
3
0 Activation 2 T
thermique 1 1
Niveau virtuel Relaxation non radiative 0
"Quenching"
4
3
2 Phosphorescence
Etat fondamental S0
1
0
Fluorescence
Fluorescence
retardée
Figure 1.2 – Diagramme de Jablonski
Plutˆot d´edi´ee aux aspects th´eoriques des processus luminescents, le lecteur ne doit pas s’´etonner
de la faible quantit´e d’exemples de sondes pr´esent´es dans cette partie. Elles seront abord´ees avec leurs
applications biom´edicales dans le chapitre suivant sur les sondes d’imagerie optique.
1.1 Les photoluminescences
On utilise le terme de photoluminescence pour d´ecrire un processus par lequel une substance absorbe
un ou plusieurs photons, pour `a son tour ´emettre un ou plusieurs photons. Nous d´etaillerons dans cette
section les quelques photoluminescences essentielles au d´eveloppement des techniques et outils d’imagerie
optique, commen¸cant par la fluorescence.
1.1.1 Fluorescence avec absorption monophonotique
Le terme de fluorescence est utilis´e pour d´ecrire le ph´enom`ene par lequel un photon est absorb´e par
un chromophore qui passe d’un ´etat singulet fondamental S0 `a un ´etat singulet excit´e S1. Dans le cas
d’une excitation monophotonique, abr´eg´ee OPA pour one photon absorption, cette absorption d’´energie
est un processus quasi-instantan´e et se produit sur une dur´ee proche de la femtoseconde (10−15 seconde).
Une fois le chromophore dans son ´etat excit´e, la relaxation peut se faire de fa¸con non radiative, i.e. sans
´emission de lumi`ere : il y a extinction de fluorescence, ou quenching. On parle de relaxation radiative,
ou fluorescence, lorsque le ph´enom`ene de relaxation est accompagn´e d’une ´emission de lumi`ere dont la
fr´equence ν est directement reli´ee `a la diff´erence d’´energie entre les deux ´etats singulets, selon :
em
h·c
∆E = E(S1)−E(S0) = ~ωem = hνem = (1.1)
λ
em
Dans cette ´equation, h est la constante de Planck (~ sa forme r´eduite), ω la pulsation de l’onde ´emise,
em
ν sa fr´equence, λ sa longueur d’onde, enfin c est la vitesse de la lumi`ere. Ce ph´enom`ene radiatif se
em em
produit sur une dur´ee proche de la nanoseconde.