Bodipy pour l'imagerie photoacoustique : formulation en nanoparticules polymères, caractérisation photophysique avancée et évaluation biologique in vitro et in vivo - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2022

Bodipys for photoacoustic imaging : formulation as polymer nanoparticles, thorough photophysical characterization, in vitro and in vivo biological evaluation

Bodipy pour l'imagerie photoacoustique : formulation en nanoparticules polymères, caractérisation photophysique avancée et évaluation biologique in vitro et in vivo

Résumé

We have designed a novel Bodipy for efficient in vivo photoacoustic (PA) imaging of nanoparticles (NPs) commonly used as drug nanovectors. It has an optimized absorption band in the near-infrared window in biological tissue and a low fluorescence quantum yield that leads to a good photoacoustic generation efficiency. After Bodipy-initiated ring opening polymerization of lactide, the polylactide-Bodipy (PLA-Bodipy) was formulated into PEGylated nanoparticles at different Bodipy concentrations. Formulated ≈100 nm NPs exhibit excellent PA properties: 760 nm absorption band and molar absorption coefficient in between molecular PA absorbers and gold NPs. Highly improved photostability -compared to cyanine-labelled PLA NPs as well as innocuity in cultured macrophages were demonstrated. After intravenous injection in healthy animals, NPs were easily detected using a commercial PA imaging system and spectral unmixing. In an attempt to understand the relationship between the photophysical properties of the nanoparticles and the generated photoacoustic signal, we have shown that Bodipy aggregation caused quenching effect is closely related to the photoacoustic generation efficiency. For this purpose, nanoparticles with different PLA-Bodipy loadings and a calibrated photoacoustic spectrophotometer were exploited. We have demonstrated the presence of two different regimes for photoacoustic emission: a monomer regime and an aggregation caused quenching regime. In the monomer regime, below 10% in weight of PLA-Bodipy, the fluorescence emission from the Bodipy monomer limits the photoacoustic yield. Above 10% of PLA-Bodipy, in the aggregation caused quenching regime, non-radiative deactivations are predominant and the photoacoustic yield reaches a high asymptotic value of 90%. A mathematical model is then proposed to predict the minimum dye loading to reach the aggregation caused quenching regime. We have also demonstrated the loss of photoacoustic signal at high laser fluency (5mJ.cm-2) by ground state depopulation. This non-linear effect can be suppressed with nanoparticle in the aggregation caused quenching regime. Above 10% of PLA-Bodipy nanoparticles show high photoacoustic generation efficiency and poor signal loss by nonlinear effect. Finally, an AZA-Bodipy was synthetized to confer pH sensitivity to the polymer NPs.
Nous avons synthétisé un nouveau Bodipy efficace pour l'imagerie photoacoustique (PA) in vivo de nanoparticules (NP) couramment utilisées comme nanovecteurs de médicaments. Le Bodipy possède une bande d'absorption optimisée dans la fenêtre du proche infrarouge pour les tissus biologiques et un faible rendement quantique de fluorescence qui conduit à une bonne efficacité de génération photoacoustique. Après la polymérisation par ouverture de cycle du lactide initiée par le Bodipy, le polylactide-Bodipy (PLA-Bodipy) a été formulé en nanoparticules PEGylées avec différents taux d'encapsulation du Bodipy. Les NP formulées, d'environ 100 nm, présentent d'excellentes propriétés PA : une bande d'absorption à 760 nm et un coefficient d'absorption molaire situé entre celui des petites molécules organiques et celui des NP d'or. Une photostabilité très améliorée - par rapport aux NP PLA marquées avec une cyanine - ainsi qu'une innocuité sur des macrophages en culture ont été démontrées. Après injection intraveineuse chez des animaux sains, les NP ont été facilement détectées à l'aide d'un système commercial d'imagerie PA et d'une séparation spectrale. Afin de comprendre la relation entre les propriétés photophysiques des NP et le signal photoacoustique généré, nous avons montré que l'effet d'extinction de fluorescence provoqué par l'agrégation du Bodipy est étroitement relié à l'efficacité de génération photoacoustique. Pour cela, des NP avec différents taux de chargement de PLA-Bodipy et un spectrophotomètre photoacoustique calibré ont été exploités. Nous avons démontré la présence de deux régimes différents pour l'émission photoacoustique : un régime monomère et un régime d'extinction causée par l'agrégation. Dans le régime monomère, en dessous de 10% en masse de PLA-Bodipy, l'émission de fluorescence du Bodipy monomère limite le rendement photoacoustique. Au-dessus de 10% de PLA-Bodipy, dans le régime d'extinction par agrégation, les désactivations non-radiatives sont majoritaires et le rendement photoacoustique atteint une valeur asymptotique élevée de 90%. Un modèle mathématique a été proposé pour prédire le taux d'encapsulation minimal pour atteindre le régime d'extinction causé par agrégation. Nous avons également démontré une perte du signal photoacoustique à haute fluence laser (5mJ.cm-2) par dépopulation de l'état fondamental. Cet effet non-linéaire peut être supprimé avec des nanoparticules dans le régime d'extinction causée par agrégation. Les NP possédant plus de 10% de PLA-Bodipy démontrent une efficacité de génération photoacoustique élevée et une faible perte de signal par des effets non-linéaires. Enfin, un AZA-Bodipy a été synthétisé pour conférer une sensibilité au pH aux NP polymère.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04689994 , version 1 (06-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04689994 , version 1

Citer

Jean-Baptiste Bodin. Bodipy pour l'imagerie photoacoustique : formulation en nanoparticules polymères, caractérisation photophysique avancée et évaluation biologique in vitro et in vivo. Polymères. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASF045⟩. ⟨tel-04689994⟩
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