UMR 5182 ENS-UCBL-CNRS 46 allée d’Italie, 69364 Lyon http://www.ens-lyon.fr/CHIMIE/

Fluorophores proche IR pour l’imagerie in vivo

Cette position est soumise à acceptation par l’Ecole Doctorale de Chimie de Lyon après audition du candidat.

► Mots clés: Chimie organique, synthèse multi-étapes, spectroscopie

► Projet : Le proche infra-rouge (NIR) correspond à des plages de plus grande transparence des tissus biologiques appelées fenêtres de transparence (NIR-I entre 750 et 900 nm, NIR-II entre 1000 et 1300 et NIR-III vers 1700 nm). Utiliser des fluorophores dont l’excitation et l’émission se situent dans ces gammes de longueur d’onde permet d’imager en profondeur et d’obtenir des qualités d'imagerie bien supérieures à ce qui est obtenu avec de la lumière visible. C’est pourquoi la recherche de nouveaux fluorophores organiques adaptés pour l’imagerie et émettant dans le proche infra-rouge (au-delà de 800 nm) a connu un développement considérable ces dernières années.[1]

Le sujet proposé s’inscrit dans la continuité des travaux menés par notre groupe ces dernières années sur les fluorophores dipolaires (composées d'une partie donneur d'électrons reliée à une partie accepteur d'électrons via un pont conjugué) et leur utilisation pratique en imagerie in vivo, lorsqu’ils sont formulés en nanoparticules (NPs) fluorescentes.[2] Nous avons développé et étudié plusieurs séries de composés ayant de bonnes propriétés de fluorescence en solution ou à l'état solide, et montré qu'il était possible de moduler les longueurs d'onde d'émission avec d'excellents rendements quantiques d’émission (autour de 30 % au-delà de 700 nm), par de petites modifications structurales. Fort de cette expérience, nous avons désormais l’ambition de pousser l'émission dans le proche IR, à des longueurs d'onde supérieures à 800 nm, tout en maintenant un bon rendement quantique d'émission, en solution ou à l’état solide.

Dans ce but, le premier objectif sera d’explorer la synthèse de fluorophores dipolaires portants des motifs hétérocycliques poly-fusionnés originaux, mais également de nouveaux groupements électro-donneurs forts type indolizine ou aza-indolizine, décrits comme étant des groupes électron-donneur puissants mais rarement, voire jamais, utilisés en ingénierie de fluorophore. L’aza-indolizine, en particulier, n’a jamais été utilisé. Ces motifs, surtout l’aza-indolizine, seront également incorporés dans des structures de type quadrupolaire ou cyanines ainsi que des complexes de bore. Pour tous les composés obtenues, les propriétés de fluorescences seront étudiées en solution mais aussi et surtout à l'état solide.

Un second volet de la thèse sera consacré à l’utilisation pratique des différents fluorophores obtenus en imagerie in vivo, en les formulant en nanoparticules (NPs) fluorescentes. Plusieurs types de NPs seront envisagées selon les propriétés de fluorescences obtenues. Tout d’abord, adaptés aux

[1] a) Bioorg. Med. Chem. 2017, 25, 2017-2034 ; b) Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 28-52 ; c) Nat. Biomed. Eng.

2017, 1, 0010 ; d) Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 710-711

[2] a) Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 3641-3648 ; b) J. Mater. Chimie. C 2016, 4(4), 766-779 ; c) Dyes Pigm. 2018, 156, 116-132 ; d) J. Org. Chem. 2019, 84(16), 9965-9974

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composés émissifs en solution, des NPs hybrides silice/co-polymère à blocs seront fabriquées. Ce type de NPs conservent en solution aqueuse les propriétés de fluorescences des fluorophores observées en solvant apolaire. De plus, nous avons montré qu’elles sont très efficaces pour imager le système vasculaire.[3] Une évolution majeure consistera en la fonctionnalisation de leur surface, soit via la silice, soit via l’additif polymère, en vue de cibler des récepteurs spécifiques en surfaces des cellules cancéreuses. Ceci se fera dans le cadre d’une collaboration active avec deux équipes de la faculté de médecine de Grenoble, spécialisées dans l’imagerie in vivo par microscopie. Pour les colorants émissifs en solide, un autre type de NPs sera obtenu par re-précipitation par déplacement de solvant en présence de stabilisant, une méthode très efficace de synthèse de NPs.[4] Là aussi, une fonctionnalisation de surface via le stabilisant sera envisagée. Cette partie se fera en collaboration avec deux équipes de l’INSA de Lyon.

► Laboratoire : Ce sujet combine synthèse organique des fluorophores avec une partie importante de caractérisation des propriétés spectroscopique et de physico-chimie pour l’obtention de NPs fluorescentes, ainsi que des études d’imagerie par microscopie de fluorescence. La thèse se déroulera au Laboratoire de Chimie de l’ENS de Lyon (UMR 5182) dans l’équipe « Chimie pour l’Optique ». Le laboratoire possède tout l’équipement nécessaire pour mener à bien le projet, notamment les études spectroscopiques en solution et en solide. La thèse profitera également des collaborations existantes avec les équipes impliquées dans le projet à Grenoble et à Lyon.

► Profil du candidat : Afin de mener ce projet à bien, nous cherchons un(e) étudiant(e) autonome et motivé(e), titulaire d’un diplôme de Master ou d’ingénieur en chimie organique ou en science des matériaux, avec une expérience en chimie organique. Un intérêt pour la biologie et l’imagerie serait un plus. Les personnes intéressées sont priées d’envoyer un CV détaillé accompagné d’une lettre de motivation. Une lettre de recommandation serait un plus appréciable.

► Contact : Y. Bretonnière (yann.bretonniere@ens-lyon.fr)

[3] RSC Adv. 2016, 6, 94200-94205 [4] ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10(30), 25154-25165

Fig. 1. Particules hybrides Silice/polymère et imagerie in vivo

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NIR Fluorophores for in vivo imaging

This position is subject to acceptance by the Ecole Doctorale de Chimie de Lyon after candidate interview.

► Keywords: Organic Chemistry, multi-steps synthesis, spectroscopy

► Project:

Near infrared (NIR) corresponds to ranges of greater transparency of biological tissues called transparency windows (NIR-I between 750 and 900 nm, NIR-II between 1000 and 1300 and NIR-III around 1700 nm). Using fluorophores whose excitation and emission fall within these wavelength ranges makes it possible to image in depth and obtain imaging qualities far superior to those obtained with visible light. This is why the search for new organic fluorophores adapted for imaging and emitting in the near infrared (above 800 nm) has developed considerably in recent years.[5]

The proposed subject is in line with the work carried out by our group in recent years on dipolar fluorophores (compounds made of an electron donor part connected to an electron acceptor part via a conjugated bridge) and their practical use in in vivo imaging, when formulated as fluorescent nanoparticles (NPs).[6]

We have developed and studied several series of compounds with good fluorescence properties in solution or in the solid state, and shown that it is possible to finely tune the emission wavelengths with excellent quantum efficiencies (around 30% above 700 nm) through small structural variations. Based on this experience, we now have the ambition to push the emission into the near-IR, at wavelengths above 800 nm, while maintaining a good emission quantum yield, in solution or in the solid state.

To this end, the first objective will be to explore the synthesis of dipolar fluorophores bearing original fused heterocyclic units, but also new strong electro-donor groups such as indolizine or aza-indolizine, described as powerful electron donor groups but rarely, if ever, used in fluorophore engineering. Aza-indolizine, in particular, has never been used. These units, especially aza-indolizine, will also be incorporated into quadrupolar or cyanin-like structures and boron complexes. For all the compounds obtained, the fluorescence properties will be studied in solution but also and especially in the solid state.

A second part of the thesis will be devoted to the practical use of the different fluorophores obtained in in vivo imaging, by formulating them into fluorescent nanoparticles (NPs). Several types of NPs will be considered depending on the fluorescence properties obtained. First of all, adapted to the compounds emitting in apolar solution, hybrid silica/block-copolymer NPs will be manufactured. This type of NPs preserves in aqueous solution the fluorescence properties of the fluorophores observed [5] a) Bioorg. Med. Chem. 2017, 25, 2017-2034 ; b) Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 28-52 ; c) Nat. Biomed. Eng.

2017, 1, 0010 ; d) Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 710-711

[6] a) Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 3641-3648 ; b) J. Mater. Chimie. C 2016, 4(4), 766-779 ; c) Dyes Pigm. 2018, 156, 116-132 ; d) J. Org. Chem. 2019, 84(16), 9965-9974

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in non-polar solvent. In addition, we have shown that they are very effective in imaging the vascular system.[7] One major development will be the functionalization of their surface, either via silica or via the polymer additive, in order to target specific receptors on cancer cell surfaces. This will be done in active collaboration with two teams from the Faculty of Medicine of Grenoble, specialized in in vivo imaging by microscopy. For solid emissive dyes, another type of NPs will be obtained by re-precipitation by solvent displacement in the presence of stabilizer, a very efficient method for synthesizing NPs.[8] Here too, a surface functionalization via the stabilizer will be considered. This part will be done in collaboration with two teams from INSA Lyon.

► Lab and environment: This subject combines organic synthesis of fluorophores with an important part dedicated to the characterization of spectroscopic properties and physico-chemistry, as well as NPs synthesis and imaging studies by fluorescence microscopy. The thesis will take place at the Chemistry Laboratory in ENS Lyon (UMR 5182) in the "Chemistry for Optics" team. The laboratory has all the necessary equipment to carry out the project, including solution and solid-state spectroscopic studies. The thesis will also benefit from existing collaborations with the teams involved in the project in Grenoble and Lyon.

► Candidate Profile: In order to carry out this project successfully, we are looking for an autonomous and motivated student with a Master in organic chemistry or materials science with experience in organic chemistry. An interest in biology and imaging would be a plus. Interested persons are requested to send a detailed CV with a covering letter. A letter of recommendation would be a welcome addition.

► Contact : Y. Bretonnière (yann.bretonniere@ens-lyon.fr)

[7] RSC Adv. 2016, 6, 94200-94205 [8] ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10(30), 25154-25165

Fig. 2. Silica-Polymer hybrid NPs and in vivo imaging.