Persistent luminescence nanoparticles for in vivo optical imaging

The goal of this work was to develop and use a new kind of optical probes that have the properties of persistent luminescence. Commonly referred as phosphorescence, persistent luminescence is the phenomenon encountered in materials which make them glow in the dark after the end of an excitation with UV or visible light.Due to growing demands of imaging tools for biomedical research, existing imaging systems have been rapidly improved and new imaging techniques have been developed during the past decades. Nowadays, imaging techniques such as MRI, scanner, ultrasound, scintigraphy and other major imaging systems are available to scientists. Each technique has advantages and disadvantages, making them complementary. Optical imaging is a rapid expanding field with direct applications in pharmacology and in the development of tools for diagnostic and research in molecular and cellular biology. Despite the increasing use of fluorescence for in vivo imaging, this technique presents several limitations, especially due to tissues autofluorescence under external illumination and weak tissue penetration of low wavelength excitation light. These drawbacks can limit the ability to detect fluorescent probes from background signal in deep tissues imaging. We present here an alternative optical imaging system using near-infrared persistent luminescence (commonly called phosphorescent) nanoparticles suitable for small animal imaging. The main advantage of this technique resides in the absence of autofluorescence, as the nanoparticles continue to emit light in the animal without the need for any kind of excitation. Using these probes in small animal imaging, we demonstrate that nanoparticles can be excited prior to injection to follow their in vivo distribution for more than one hour without any external illumination source. Chemical modification of nanoparticles surface led to distinct biodistribution pattern. Tumor mass was also identified on a mouse model.L'objectif de cette thèse a été de développer et d'utiliser une nouvelle classe de sondes optiques ayant des propriétés de luminescence persistante. La luminescence persistante, plus connue du grand public sous le terme phosphorescence, est la propriété que possèdent certains matériaux de continuer à émettre de la lumière après la fin de l'excitation. Le développement rapide de nombreuses techniques d'imagerie durant les dernières décennies (IRM, écho-doppler, scanner, PET...) répond à un besoin croissant d'images des biologistes et des médecins . De la simplification des travaux expérimentaux à une détection précoce de maladies, une dynamique s'est créée autour des recherches en imagerie. Chaque technique possède avantages et inconvénients, rendant ainsi complémentaires l'ensemble des imageries. L'imagerie optique est un domaine en pleine expansion avec des retombées directes en pharmacologie, dans le développement d'outils d'aide au diagnostique et de recherches en biologie moléculaire et cellulaire. Malgré une utilisation toujours croissante de la fluorescence dans des études in vivo, cette technique souffre toutefois de limitations dues notamment à l'autofluorescence des tissus et à la faible pénétration de la lumière excitatrice. Ces contraintes limitent la capacité à imager des tissus profonds Pour pallier à ces contraintes, un procédé basé sur l'utilisation de nanomatériaux à luminescence persistante (phénomène communément appelé phosphorescence) a été développé. Ces particules présentent l'avantage de pouvoir être excitées préalablement à l'injection dans le milieu biologique et de pouvoir émettre de la lumière durant plusieurs heures. Ceci permet d'éviter l'excitation des sondes à l'intérieur de l'animal, supprimant ainsi les problèmes d'autofluorescence des tissus.En utilisant ces sondes en imagerie du petit animal, nous avons montré qu'il est possible de suivre la biodistribution des nanoparticules en temps réel pendant plus d'une heure sans recourir à une quelconque excitation externe. Des modifications chimiques de surface nous ont permis d'étudier les différences de biodistribution des nanoparticules selon leurs charges de surface (positives, négatives ou neutres). Des expériences portant sur la localisation de tumeurs chez la souris ont également été réalisées avec succès