Soutenance de thèse de HOSPITAL Louis
Titre de thèse
Synthèse d'agents de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique renforcée par effet Overhauser.
Synthesis of contrast agents for Overhauser-enhanced Magnetic Resonance Imaging.
Résumé de la thèse
L'imagerie moléculaire permet de suivre des mécanismes biochimiques se produisant à l'échelle moléculaire ou cellulaire, ou de détecter des molécules spécifiques. La protéolyse est un processus biologique jouant un rôle essentiel dans la régulation physiologique. Une dérégulation de la protéolyse est souvent associée à des conditions pathologiques. Par conséquent, l'étude des activités protéolytiques présente un grand intérêt pour le diagnostic médical précoce, mais aussi pour la compréhension des mécanismes moléculaires physiologiques.
L'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) est aujourd'hui une technique de diagnostic non invasive largement utilisée en raison de sa haute résolution spatiale et de son excellent contraste des tissus mous. Cependant, sa sensibilité relativement faible constitue une limite importante pour la détection de processus se produisant à faibles concentrations, tels que la protéolyse. Pour pallier cette limite de sensibilité du signal IRM, l'IRM renforcée par effet Overhauser (OMRI) a récemment été développée. Le principe repose sur l'amplification du signal de résonance magnétique nucléaire par transfert dynamique de polarisation depuis les électrons non appariés de radicaux libres vers les protons de l'eau omniprésents dans l'environnement physiologique, via l'effet Overhauser. Ainsi, l'OMRI peut être réalisée grâce à l'introduction de radicaux libres dans le système comme sources d'électrons non appariés. Ces radicaux libres doivent être conçus pour générer un effet Overhauser induit par protéolyse, afin d'assurer une augmentation localisée du contraste IRM, spécifique à l'activité enzymatique.
Ce travail de recherche porte sur la conception, la synthèse et la caractérisation de molécules jouant le rôle d'agents de contraste pour l'OMRI dans le cadre de l'imagerie de la protéolyse. La première méthode consiste à suivre l'évolution du signal de résonance paramagnétique électronique (RPE) d'une molécule di-radicalaire contenant un substrat enzymatique spécifique. La digestion enzymatique supprime l'interaction spin-spin en libérant deux radicaux libres et restaurant leur signature RPE. Une seconde approche repose sur l'activation enzymatique d'une dialkoxyamine, générant in situ deux nitroxydes comme centres paramagnétiques activant l'effet Overhauser.
Le développement de telles molécules présente plusieurs défis, notamment une stabilité suffisante, une activation sélective par les enzymes cibles, ainsi que la réactivité souhaitée pour la dialkoxyamine, ou les propriétés physiques souhaitées après activation pour le diradical.
L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement d'agent de contraste pour l'imagerie moléculaire à champ faible.
Thesis resume
Molecular imaging is a technique allowing monitoring of biochemical events occurring at the molecular or cellular scale, or detection of specific molecular targets. Proteolysis is a fundamental biological process tightly structured with critical function in physiological regulation. Deregulation of proteolysis is often associated with various pathological conditions. Thus, monitoring of proteolytic activity is very valuable for early medical diagnostic or providing information on physiological molecular mechanisms.
MRI (magnetic resonance imaging) has been established as a widely used, non-invasive diagnostic technique for clinical applications due to its excellent spatial resolution and soft tissue contrast. However, its relatively low sensitivity is a limitation for the detection of low concentration processes such as proteolysis or other molecular processes. To overcome the sensitivity limitation of MRI signal, Overhauser-enhanced MRI (OMRI) has recently been developed. The principle is to enhance the nuclear magnetic resonance signal through dynamic nuclear polarization transfer from unpaired electron spins of free radicals to water protons nuclear spins in the physiological environment, using the Overhauser effect. Hence, OMRI can be implemented with introduction of free radicals in the system as sources of unpaired electron. Those free radicals should generate an Overhauser effect “switch on” upon proteolysis activation to ensure spatially and locally increased NMR signal contrast linked to enzymatic activity.
This research work focuses on the design, synthesis and characterisation of molecular probes that act as OMRI contrast agents for proteolysis imaging. The first approach involves monitoring the change in electron paramagnetic resonance (EPR) signal of a diradical molecule containing a specific protease substrate. Enzymatic digestion cancels the spin-spin interaction by releasing two free radicals with restored EPR signature. A second approach is based on enzymatic activation of a dialkoxyamine to generate in situ two nitroxide species as paramagnetic centres “switching on” the Overhauser effect. The development of such responsive probes presents several challenges, including achieving sufficient stability, selective activation and achieving desired reactivity or physical properties upon activation.
This thesis aims to contribute to the development of molecular imaging contrast agents for low-field OMRI, towards ultra-low magnetic field.