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LMT

Marquage par le tritium et auto-assemblages

Publié le 4 décembre 2017
Le LMT s’intéresse à plusieurs thématiques :
- Chimie du tritium pour le suivi de molécules in vivo ;
- Chimie du tritium pour la caractérisation de nano-objets complexes ;
- Développement de nouvelles sondes moléculaires pour l’IRM du xénon à des fins diagnostiques.

Responsable
Grégory Pieters
gregory.pieters@cea.fr

Développement de nouvelles méthodes de marquage au tritium par des nanoparticules de ruthénium et applications en biologie.

Modélisation d'un intermédiaire mécanistique
impliqué dans la C‒H activation catalysée par
les nano-particules de ruthénium. 
©R. Poteau CNRS


Le marquage des molécules biologiques par le deutérium et le tritium requiert souvent le recours chronophage et dispendieux à des précurseurs permettant d’introduire plus ou moins efficacement le (radio)isotope sur des positions  prédéfinies. Afin de contourner cette difficulté souvent handicapante en biologie mais aussi pour l’innovation thérapeutique, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles méthodes de marquage par échange catalytique H/D et H/T. Ainsi, nous avons mis en évidence, en collaboration avec l’équipe du Dr. B. Chaudret à l’INSA Toulouse (CNRS/Univ. Paul Sabatier), la capacité exceptionnelle de nanoparticules de ruthénium à catalyser l’échange H/D sur divers composés aminés mais aussi soufrés dans des conditions très douces (1-2 atm, 20-55°C) dans différents solvants. Nos résultats, couplés à des simulations par DFT, indiquent que la réaction met en jeu un mécanisme de C‒H activation énantiospécifique tout à fait nouveau et suggèrent des applications innovantes en termes de fonctionnalisation tardive et économique de molécules organiques. Cette nouvelle stratégie a été appliquée au marquage stéréorétentif de divers composés biologiquement actifs : médicaments, aminoacides, peptides etc… Notre groupe maintient également un savoir-faire en termes de tritiation de molécules d’intérêt biologique par des voies plus classiques et assure diverses collaborations notamment dans le cadre de l’ERC Ternanomed (collaboration avec le Prof. P. Couvreur).

Mise au point d’une nouvelle méthode de résolution de la structure  de petites molécules en interaction dans des assemblages macromoléculaires.

La détermination à l’échelle atomique de la structure de petites molécules en interaction avec des assemblages macromoléculaires (auto-assemblages, peptides membranaires, complexes ligands-macromolécule non cristallisés) est un prérequis à la compréhension de leur activité chimique et/ou biologique. Cependant, à l’heure actuelle, il n’existe pas de méthode efficace pour la résolution structurale de tels assemblages non cristallins. En collaboration avec les Dr. M. Paternostre (CNRS) et T. Charpentier (CEA), nous mettons au point une nouvelle stratégie combinant marquage au tritium, RMN solide du tritium (spin ½) et modélisation moléculaire. Ainsi, nous avons entrepris de déterminer la structure atomique du dipeptide Phe-Phe assemblé en nanotubes qui reste mystérieuse. La preuve de concept, reposant sur la mesure de distances tritium-tritium en RMN solide, a déjà été validée sur des petites molécules rigides et est en passe d’être confirmée sur le modèle dipeptidique cristallisé puisque les distances interatomiques mesurées par RMN sont identiques à celle déterminée par diffraction de rayons X. Cette méthode de cristallographie par RMN du tritium sera appliquée à la résolution structurale des nanotubes de Phe-Phe mais aussi à d’autres nano-objets impliqués dans des processus biologiques (peptides antibactériens, molécules anti-amyloïdes etc…).

  

 Détermination de structure 3D par mesures
 de distances inter-tritiums © SCBM/CEA

Caractérisation de nano-diamants hydrogénés.

Les nanodiamants sont des assemblages carbonés de taille nanométrique dont la réactivité est encore peu connue. De récentes études suggèrent qu’une fois hydrogénés, ils peuvent servir de plateformes pour la conception de nano-catalyseurs pour la chimie mais aussi de nanovecteurs pour le transport ciblé de molécules bioactives (par exemple anticancéreuses). De plus, les propriétés de fluorescence de certains nanodiamants laissent entrevoir des applications très intéressantes en matière d’imagerie diagnostique. Dans le cadre d’une collaboration avec les Dr. T. Charpentier et J-C. Arnault (CEA), nous étudions la réduction de nanodiamants bruts dans un plasma de tritium  afin d’élucider leur chimie de surface (position et nombre des fonctions hydrogénées) par RMN solide du tritium.

Plasma de tritium généré par micro-ondes
pour la tritiation de nano-diamants.
© SCBM/CEA
 
 

Obtention et étude des propriétés physicochimiques et de la  toxicité éventuelle de particules de tungstène tritiées.

La mise en œuvre en 2025 du réacteur international ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) implanté à Cadarache pour vérifier la faisabilité scientifique et technique de la  fusion thermonucléaire contrôlée comme nouvelle source d’énergie nécessite des recherches complémentaires. En effet, l’abrasion par le plasma des parois en tungstène du Tokamak va produire des particules de tungstène chargées en tritium. La capacité de ces particules à absorber le tritium et à le libérer ensuite demeure incertaine. De plus, leur possible (radio)toxicité (notamment pulmonaire) doit être déterminée. En collaboration avec les équipes CEA du Dr. V. Mallard (DSV) et du Dr. C. Grisolia (DSM)  participant au soutien du projet ITER, ainsi que les équipes Universitaires du Dr. D. Vrel (LSPM-Paris 13) et du Dr. G. Dinescu (NILPR- Bucarest)  et du Dr. F. Gensdarmes (IRSN), nous avons entrepris d’étudier l’absorption et la libération du tritium gaz par différentes poudres de tungstène produites mécaniquement ou par abrasion laser. En absence de particules de référence, cette étude prospective est menée sur divers lots de poussières (30 nm à 3 mm). La toxicité de ces particules chargées en tritium sera évaluée dans un premier temps sur des cellules pulmonaires en culture en collaboration avec l’Université d’Aix Marseille et le CEA de Cadarache.

 
Particules de tungstène
© SCBM/CEA

 

Conception et développement de nouvelles sondes moléculaires pour l’IRM diagnostique du xénon.

L’IRM est une méthode d’imagerie volumétrique in vivo et en temps réel  qui est couramment utilisée en milieu hospitalier. Cependant l’IRM classique basée sur la RMN du proton manque de sensibilité malgré sa très bonne résolution spatiale du fait de l’abondance des hydrogènes dans la matière biologique. Des agents de contraste à base de gadolinium sont utilisés mais présentent des limitations en termes de sensibilité. L’IRM du xénon-129 (spin ½), gaz non toxique diffusant librement dans l’organisme et à travers les membranes cellulaires, est une alternative très intéressante pour l’analyse de diverses pathologies, notamment dans les tissus mous (poumons). Le xénon-129 peut donc être suivi avec une sélectivité et une sensibilité inégalées (notamment par hyperpolarization préalable du xénon). En revanche, elle nécessite l’encapsulation réversible du gaz noble dans une molécule-cage, en particulier un cryptophane. Depuis plusieurs années, nous nous intéressons à la synthèse et la dérivatisation de nouveaux cryptophanes en collaboration avec le Dr. T. Brottin (ENS-Lyon). Ceux-ci ont par exemple été utilisés pour l’imagerie des métaux en milieux biologique, le suivi du stress oxydant et la détection de certaines protéines en collaboration avec le Dr. P. Berthault (CEA). Le développement d’une sonde pour l’imagerie moléculaire du cancer du poumon non-à-petites-cellules est en cours en coopération avec les Dr. S. Simon, E. Ezan et P. Berthault (CEA) et le Prof. E. Deutsch (IGR).

 
 
 
Effet de H2O2 sur un crytophane hexa-boronate.
© CEA/Angew. Chem. Int. Ed. 2014