Nanoparticules organiques ultra-brillantes pour l'imagerie biologique

During the last decades, luminescent inorganic nanoparticles have attracted a large interest in different fields including biological imaging. However, a number of them have drawbacks such as toxicity and absence of biodegradability. Recently, molecular-based fluorescent organic nanoparticles (FONs) have emerged as a promising alternative to inorganic nanoparticles for bioimaging. The main challenge lies in the elaboration of organic nanoparticles that combine large brightness, good colloidal stability in biological environments) and biocompatibility as well as NIR emission (to allow improved detection in thick tissues). To achieve this objective, we have implemented a molecular engineering strategy based on dedicated polar and polarizable "push pull" chromophore built from a triphenylamine donor moiety and a specific pi-conjugated system. The corresponding nanoparticles were readily prepared by the reprecipitation method. In the present manuscript, the synthesis of the chromophores and the preparation and characterization of the organic fluorescent nanoparticles is described. A comprehensive investigation of their photophysical properties and study of their colloidal stability is presented allowing to derive structure-property relationships. The implemented study led to innovative NIR-emitting nanoparticles combining large brightness (superior to those of QDs and NIR-emitting organic dyes), remarkable colloid stability and suitable photostability. These nanoparticles have been successfully used for single particle tracking and imaging in cells, while no toxic effect was observed.Les nanoparticules inorganiques luminescentes ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, notamment pour leur application en imagerie biologique. Un certain nombre d’entre elles présentent toutefois des limitations telles que toxicité, absence de biodégradabilité, faible brillance, clignotements…. Dans cette optique, les nanoparticules fluorescentes à base de petites molécules organiques (FONs) offrent une solution alternative prometteuse aux nanoparticules inorganiques pour l'imagerie biologique. Le principal défi réside dans l'élaboration des nanoparticules organiques possédant une brillance élevée, une bonne stabilité dans l'eau (y compris en milieu biologique), une bonne biocompatibilité ainsi qu'une émission accordable dans le visible et au-delà dans le proche infrarouge (pour une détection plus aisée en milieu diffusant). Dans cette optique, nous avons utilisé une stratégie basée sur l’utilisation de chromophores dipolaires de type "push pull" « adaptés ». Au cours du travail, la synthèse de séries de chromophores homologues bâtis sur le même système conjugué et ayant en commun un groupe donneur de type triphénylamine (destiné à préserver les propriétés de luminescence) présentant ou non des motifs encombrants positionnés a été réalisée. Les nanoparticules correspondantes ont été préparées selon un protocole classique, simple et rapide à mettre en oeuvre (précipitation). L’étude des propriétés photophysiques des nanoparticules organiques fluorescentes ainsi obtenues a été réalisée et mise en perspective avec celles des chromophores en solution dans des solvants organiques de polarité variable. Une étude systématique de l’évolution dans le temps des propriétés optiques des nanoparticules organiques a été réalisée permettant de mettre en lumière des relations entre la structure des sous-unités chromophoriques et la stabilité colloïdale et « optique » des nanoparticules. Ces études ont permis d’identifier des nanoparticules émettant dans le proche infrarouge extrêmement brillantes et présentant une stabilité colloïdale remarquable dans l’eau, une photostabilité accrue et une très bonne biocompatibilité. De ce fait, ces nanoparticules ont pu être utilisées avec succès dans l'imagerie biologique des cellules et le suivi (tracking) à l'échelle de la particule unique, démontrant l'intérêt de la démarche d'ingénierie mise en oeuvre