Development of fluorescent platforms for the design of multifunctional compounds for in vitro and in vivo applications in molecular imaging
Développement de plateformes fluorescentes pour la conception d'agents multifonctionnels pour des applications d'imagerie in vitro et in vivo
Résumé
The objective of this thesis was the development and evaluation of new molecular platformsfor optical fluorescence imaging applications. This work sought to develop new tools that caneasily be modified and adapted to the specific needs of the intended use. This is required asthe fluorophore will influence the final properties and should thus be incorporated beforestructural optimization of the selected agent rather than at the very end. Two main axes wereexplored; the use of BODIPYs for the development of trackable therapeutic agents that areprimarily intended for in vitro applications and the use of azaBODIPYs for the design of an invivo compatible fluorescent platform.In the first part two fluorophores on the basis of a 3,5-dichloro-BODIPY were identified aspromising platforms. These platform molecules were selectively functionalized using a gold(I)-phosphine moiety, a thiosugar and a phosphonium to explore their selective functionalizationand investigate the influence of each substitutents position on the final properties. Weshowed that a site-specific, selective functionalization with these fragile substituents ispossible and developed 12 gold(I)-bearing therapeutic agents. We evaluated thephotophysical properties of all obtained compounds which was followed by a characterizationof their biological properties (antiproliferative properties on 3 cancer cell lines, lipophilicbalance and cellular gold accumulation as well as fluorescence imaging on 3 cell lines for upto 24h). We succeeded in developing a panel of closely related trackable compounds thatdisplay mixed activity in cells and distinct cellular localization. This investigation permitted theselection of three to four hits that will be studied further.In the second part we developed an in vivo-compatible multifunctional platform following twostrategies: the first was the use of 1,7-di(phenol)-3,5-di(phenyl)-azaBODIPY and thefunctionalization of the hydroxy groups for the development of a bioconjugable NIR-I probe.Unfortunately the developed probe displayed very unfavourable optical properties; wetherefore developed a new strategy that is entirely based on the functionalization of the boronatom. Using this approach we successfully synthesized 2 watersoluble, strongly fluorescent(NIR-I) molecular platforms that were conjugated to an innovative antibody to image the PD-L1 ligand. The developed probes displayed excellent optical properties, are stable for at least48h in mice plasma and were validated in a preclinical study on mice. The developed probesdisplayed strong fluorescence in vivo and showed no acute toxicity.The developed methodology shows great potential for further investigations and futurestudies; it can be transposed onto other closely related fluorophores and permits versatilefunctionalization with a large variety of compounds of interest. Its use is thus not limited tobiological, biochemical and medical applications.
Cette thèse s’inscrit dans le développement et l’évaluation de nouvelles plateformesmoléculaires pour une application en imagerie optique par fluorescence. Nous avons cherché àdévelopper de nouveaux outils multifonctionnels et modifiables à façon. Cette approche estnécessaire car l’introduction d’un fluorophore peut fortement influencer les propriétés ducomposé final. Cela signifie que l’introduction du fluorophore sur l’agent sélectionné doit avoirêtre réalisé dès le départ. Pour cela deux axes principaux ont été étudiés; le premier consiste àutiliser des BODIPY pour le développement d’agents thérapeutiques traçables pour uneapplication principalement in vitro; le deuxième cible sur la conception de plateformes à based’AzaBODIPY compatibles avec l’imagerie in vivo.Dans la première partie deux fluorophores à base de 3,5-dichloro-BODIPY ont été identifiéscomme plateformes prometteurs. Ils ont été fonctionnalisés sélectivement par un agent or(I)-phosphine, un thiosucre et un phosphonium afin de pouvoir étudier l’influence du positionnementde chaque substituant sur les propriétés finales. Nous avons pu démontrer qu’unefonctionnalisation sélective et spécifique est possible avec ces substituants fragiles ; cela nous apermis de développer 12 agents théranostiques à base d’or(I). Les propriétés photophysiques etbiologiques ont ensuite été évaluées; pour cela nous avons déterminé leurs propriétés antiprolifératives (3 lignés cellulaires), la balance hydrophile, l’accumulation d’or dans les cellules etla localisation des composés des composés par microscopie confocale. Cette stratégie deplateforme multifonctionnelle nous a permis de développer un panel de composés traçables ayantdes activités mixtes ainsi que des distributions cellulaires distinctes. Cette étude a permisl’identification et la sélection de trois ou quatre composés qui feront l’objet d’une étudeapprofondie.Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons développé des plateformes multifonctionnellescompatibles avec l’imagerie in vivo; pour cela nous avons poursuivi deux approches différentes.La première était l’utilisation de 1,7-di(phenol)3,5-di(phenyl)-azaBODIPY, suivi par safonctionnalisation sur les groupements OH afin de développer un traceur bioconjugablefluorescent dans le proche infrarouge (NIR-I). Malheureusement ce traceur possède despropriétés optiques très défavorables. Nous avons alors développé une approche innovante baséesur la fonctionnalisation de l’atome de bore. En s’appuyant sur cette approche deux traceursfortement fluorescents dans le proche infrarouge et solubles dans l’eau ont été développés. Cesfluorophores ont été conjugués sur un anticorps innovateur afin de permettre l’imagerie optiquedu ligand PD-L1. Les traceurs se sont montrés stables pour au moins 48h dans le plasma murin etpossèdent de très bonnes propriétés optiques. Comme preuve de concept nous avons conduitune étude préclinique in vivo. Cette étude a montré que les traceurs sont fortement fluorescents(NIR-I) et ne possèdent pas de toxicité imminente.La méthodologie développée pendant cette thèse présente un grand potentiel pour des étudesallant plus loin et des futures applications ; il est possible d’appliquer les principes et outilsdéveloppés sur d’autre fluorophores ; la méthodologie permet une fonctionnalisation très richeavec une grande variété de substituants d’intérêt. Son utilisation n’est pas limitée aux applicationsbiologiques, biochimiques et médicinales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)