Sondes de type "covalent assembly" conduisant à la formation in situ
I. État de l'Art
I.1.2. Historique et exemples
La première sonde basée sur ce principe a été développée par le groupe de T. Swager en 2003 mais curieusement ce concept très novateur à l'époque n'a pas été mis en avant4. Elle permet la détection des ions fluorures (F-) via la formation d'une coumarine fluorescente faisant suite à la rupture de la liaison Si-O du précurseur "cagé" et à une réaction de lactonisation via un processus de transestérification (Figure 2). En fonction de la nature du substituant R, il est possible d'obtenir des émissions de fluorescence pour la coumarine formée, dans la gamme spectrale du violet-bleu (R = H or NEt2, lmax = 415 ou 450 nm avec fF = 12% ou 81% dans le CH2Cl2) ou du vert (R =
2 J. Chan, S. C. Dodani, C. J. Chang, Nat. Chem., 2012, 4, 973-984.
3 Pour des revues sur les bras espaceurs auto-immolables : a) S. Gnaim, D. Shabat, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 2970-2984 ; b) A. Alouane, R. Labruère, T. Le Saux, F. Schmidt, L. Jullien, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 7492-7509.
4 T.-H. Kim, T. M. Swager, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 4803-4806. Analyte
Réaction domino Précurseur "cagé"
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thiényl)thién-2-yle, lmax = 529 nm avec fF = 37% dans le CH2Cl2). Ce concept a été étendu à la conception d'un polymère semi-conducteur "intelligent" qui permet d'amplifier le signal de fluorescence induit par les ions F-.
Figure 2. Principe et activation de la première sonde de type "covalent assembly" développée par le groupe de T. M. Swager4 pour la détection fluorogénique "Off-On" des ions fluorure.
Quelques années plus tard, le groupe de E. Anslyn publie plusieurs travaux qui s'inspirent de ce principe de détection mettant en jeu la formation in situ d'une coumarine fluorescente. Ainsi, en 2005, ils améliorent un système de détection de certains métaux lourds toxiques comme le Cd2+ publié précédemment et fondé sur la formation in situ du 3-méthylindole fluorescent5 ; le mécanisme de détection est basé sur une réaction de Heck pallado-catalysée, qui permet une cyclisation intramoléculaire et conduit cette fois-ci à la formation d'une 7-(diéthylamino)coumarine fluorescente (Figure 3A)6. La source de Pd0 requise pour effectuer la réaction de Heck est un complexe entre le Pd2+ et un ligand poly-aza macrocyclique (i.e., le 1,4,7,10,13-pentaaza-cyclopentadecane). Le cation métallique divalent à détecter ayant une meilleure affinité pour ce ligand, une réaction de déplacement se produit ; le cation Pd2+ libéré est ensuite réduit en Pd0 par une phosphine ajoutée dans le milieu et peut catalyser la réaction de formation du cœur fluorescent. Cette modification a permis d'accélérer la cinétique de formation du fluorophore (30 min vs. 90 min). En 2010, ils étendent le concept à la formation in situ de fluorophores absorbant et émettant à des longueurs d'onde plus lointaines donc plus compatibles avec des applications en milieu cellulaire. Ils ont notamment développé une sonde nommée NO550, pour la détection du monoxyde d'azote (NO) dont la réaction avec cet analyte permet d'obtenir une émission de fluorescence intense dans la gamme spectrale du vert imputable à la formation du fluorophore non usuel AZO5507 (Figure 3B).
5 Q. Wu, E. V. Anslyn, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 14682-14683.
6 Q. Wu, E. V. Anslyn, J. Mater. Chem., 2005, 15, 2815-2819.
7 Y. Yang, S. K. Seidlits, M. M. Adams, V. M. Lynch, C. E. Schmidt, E. V. Anslyn, J. B. Shear, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 13114-13116. R O Si CO2Et CO2Et F -O O CO2Et R R = H, NEt2 ou S S
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Figure 3. Sondes de type "covalent assembly" développées par le groupe de E. Anslyn pour la détection : (A) de métaux lourds toxiques (Cd2+, Ni2+ et Co2+), L = 1,4,7,10,13-pentaaza-cyclopentadecane6 et (B) du monoxyde d'azote (NO)7.
Depuis, ce concept a été largement appliqué à la détection in vitro de nombreux analytes (e.g., cations métalliques8a,c,h,i,k,m,n, enzymes8b,j,r,s, ROS8f,t, thiols biologiques8d,e,g,l,o,p,q,u) via la formation in
situ de 7-hydroxy ou 7-N,N-dialkylamino(2-imino)coumarines par réaction de lactonisation ou de
cyclisation de Pinner8. Notre groupe a d'ailleurs contribué à des avancées dans ce domaine8b en développant la première sonde "dual-analyte"9, i.e., le précurseur "cagé" non fluorescent nécessite l'action de deux enzymes distinctes pour conduire à la formation in situ d'un dérivé 7-hydroxy-2-iminocoumarine fluorescent (Figure 4).
Figure 4. Mécanisme de formation in situ d'un dérivé 7-hydroxy-2-iminocoumarine suite à l'activation successive d'un précurseur "cagé" par deux enzymes distinctes, la péniciline G amidase/acylase (PGA) et une nitroréductase (NTR). Approche "dual analyte" développée par S. Debieu et A. Romieu8b.
8 Pour quelques exemples de formation in situ de dérivés coumarines fluorescents, voir : a) J. H. Do, H. N. Kim, J. Yoon, J. S. Kim, H.-J. Kim, Org. Lett., 2010, 12, 932-934 ; b) S. Debieu, A. Romieu, Org. Biomol. Chem., 2015, 13, 10348-10361 ; c) Y. Han, C. Yang, K. Wu, Y. Chen, B. Zhou, M. Xia, RSC Adv., 2015, 5, 16723-16726 ; d) P. K. Mishra, T. Saha, P. Talukdar, Org. Biomol. Chem., 2015, 13, 7430-7436 ; e) H. Mohapatra, H. Kim, S. T. Phillips, J. Am. Chem. Soc., 2015,
137, 12498-12501 ; f) H. Zhang, Y. Xie, P. Wang, G. Chen, R. Liu, Y.-W. Lam, Y. Hu, Q. Zhu, H. Sun, Talanta, 2015, 135,
149-154 ; g) J. Zhang, Y. Li, W. Guo, Anal. Methods, 2015, 7, 4885-4888 ; h) Y. Chen, B. Chen, D. Luo, Y. Cai, Y. Wei, Y. Han, Tetrahedron Lett., 2016, 57, 1192-1195 ; i) Y. Chen, M. Zhang, Y. Han, J. Wei, RSC Adv., 2016, 6, 8380-8383 ; j) W. Feng, C. Gao, W. Liu, H. Ren, C. Wang, K. Ge, S. Li, G. Zhou, H. Li, S. Wang, G. Jia, Z. Li, J. Zhang, Chem. Commun., 2016, 52, 9434-9437 ; k) Z. Hu, J. Hu, H. Wang, Q. Zhang, M. Zhao, C. Brommesson, Y. Tian, H. Gao, X. Zhang, K. Uvdal,
Anal. Chim. Acta, 2016, 933, 189-195 ; l) W. Chen, X. Yue, W. Li, Y. Hao, L. Zhang, L. Zhu, J. Sheng, X. Song, Sens. Actuators B-Chem., 2017, 245, 702-710 ; m) J. Hu, T. Liu, H.-W. Gao, S. Lu, K. Uvdal, Z. Hu, Sens. Actuators B-Chem.,
2018, 269, 368-376 ; n) B. Huo, M. Du, A. Gong, M. Li, L. Fang, A. Shen, Y. Lai, X. Bai, Y. Yang, Anal. Methods, 2018, 10, 3475-3480 ; o) Y. Kim, M. Choi, S. V. Mulay, M. Jang, J. Y. Kim, W.-H. Lee, S. Jon, D. G. Churchill, Chem. -Eur. J., 2018,
24, 5623-5629 ; p) L. Yang, Y. Su, Y. Geng, Y. Zhang, X. Ren, L. He, X. Song, ACS Sensors, 2018, 3, 1863-1869 ; q) L.
Yang, Y. Liu, Y. Li, H. Wang, H. Zhang, J. Xu, L. Ji, Q. Wang, G. He, Tetrahedron, 2019, 130538 ; r) L. Xia, Y. Tong, L. Li, M. Cui, Y. Gu, P. Wang, Talanta, 2019, 204, 431-437 ; s) H. Qin, L. Li, K. Li, Y. Xiaoqi, Chin. Chem. Lett., 2019, 30, 71-74 ; t) L. Yang, Y. Zhang, X. Ren, B. Wang, Z. Yang, X. Song, W. Wang, Anal. Chem., 2020, 92, 4387-4394 ; u) Y. Gan, G. Yin, T. Yu, Y. Zhang, H. Li, P. Yin, Talanta, 2020, 210, 120612.
9 Pour des revues sur le principe des sondes fluorogéniques "multi-analytes" : a) A. Romieu, Org. Biomol. Chem., 2015,
13, 1294-1306 ; b) J. L. Kolanowski, F. Liu, E. J. New, Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 195-208.
I Et2N O O Pd0 Pd2+ O O Et2N Pd2+ Cd2++ + L N NH2 CN N CN N N NO550 AZO550 NO, O2 A B N H O O O O NO2 O HO CN NH O Enzyme 1 : PGA HO O NO2 Enzyme 2 : NTR HO OH CN CN CN CN CN CN
formation in situ d'une 2-iminocoumarine
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Plus récemment, l'émergence de l'approche théranostique a conduit d'autres groupes de recherche académique à tirer profit de cette approche pour concevoir des pro-drogues fluorogéniques10. Ainsi, plusieurs travaux portant sur la synthèse de nouveaux composés permettant à la fois le diagnostic (via l'imagerie moléculaire de fluorescence) et le traitement de certaines pathologies ont été publiés11.
Par exemple, le groupe de S. Wang a publié, en 2016 puis 2018, deux nouveaux agents théranostiques, GMC-CAE-NO2 et FDU-DB-NO2, activés spécifiquement dans des conditions hypoxiques (i.e., manque d'oxygène au niveau des tissus) et à l'aide d'une irradiation UV-A (lmax = 365 nm) supplémentaire pour le GMC-CAE-NO211b, c. En effet, ces deux sondes sont sensibles aux nitroréductases (NTR), enzymes redox surexprimées au sein des tumeurs hypoxiques. Ainsi, lorsque les sondes se trouvent au sein de cellules cancéreuses, l'élimination du motif de reconnaissance para-nitrobenzyle (via un processus de bioréduction du groupement NO2 par la NTR et une élimination 1,6 du bras espaceur auto-immolable nouvellement formé) va permettre la libération du phénolate qui va cycliser sur l'ester adjacent pour conduire à la formation d'un dérivé coumarine émettant dans le bleu (cas de GMC-CAE-NO2) ou dans le vert (cas de FDU-DB-NO2) et d'un agent anticancéreux, la gemcitabine12 et la floxuridine13 respectivement (Figure 5).
10 Pour des revues sur les agents théranostiques à base de petites molécules, voir : a) R. Kumar, W. S. Shin, K. Sunwoo, W. Y. Kim, S. Koo, S. Bhuniya, J. S. Kim, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 6670-6683 ; b) M. H. Lee, A. Sharma, M. J. Chang, J. Lee, S. Son, J. L. Sessler, C. Kang, J. S. Kim, Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 28-52 ; c) H.-W. Liu, L. Chen, C. Xu, Z. Li, H. Zhang, X.-B. Zhang, W. Tan, Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 7140-7180.
11 Pour des travaux sur l'utilisation du principe de l'assemblage covalent dans la synthèse d'agents théranostiques, voir : a) W. Feng, C. Gao, W. Liu, H. Ren, C. Wang, K. Ge, S. Li, G. Zhou, H. Li, S. Wang, G. Jia, Z. Li, J. Zhang, Chem. Commun., 2016, 52, 9434-9437 ; b) W. Liu, H. Liu, X. Peng, G. Zhou, D. Liu, S. Li, J. Zhang, S. Wang, Bioconjugate Chem., 2018,
29, 3332-3343 ; c) X. Peng, J. Gao, Y. Yuan, H. Liu, W. Lei, S. Li, J. Zhang, S. Wang, Bioconjugate Chem., 2019, 30,
2828-2843.
12 Pour des publications sur l'efficacité de la gemcitabine pour le traitement de certains cancers : a) des poumons : S. Noble, K. L. Goa, Drugs, 1997, 54, 447-472 ; b) des ovaires : D. Lorusso, A. Di Stefano, F. Fanfani, G. Scambia, Ann.
Oncol., 2006, 17, v188-v194 ; c) du sein : J. Carmichael, K. Possinger, P. Phillip, M. Beykirch, H. Kerr, J. Walling, A. L.
Harris, J. Clin. Oncol., 1995, 13, 2731-2736 et d) du pancréas : H. A. Burris, M. J. Moore, J. Andersen, M. R. Green, M. L. Rothenberg, M. R. Modiano, M. C. Cripps, R. K. Portenoy, A. M. Storniolo, P. Tarassoff, R. Nelson, F. A. Dorr, C. D. Stephens, D. D. Von Hoff, J. Clin. Oncol., 1997, 15, 2403-2413.
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Figure 5. Agents théranostiques de type pro-drogues fluorogéniques activés au sein de cellules cancéreuses en conditions hypoxiques, basés sur le principe du "covalent assembly" et développés par le groupe de S. Wang11b,c.
Malgré le fait que l'approche de synthèse in situ de fluorophores ait été mise en avant en 20101, le terme "covalent assembly" a été introduit en 2014 par Y. Yang (ancien chercheur post-doctoral au sein du laboratoire de E. Anslyn et actuellement professeur au sein de l'Université des Sciences et Technologies de la Chine de l'Est, Shangai) et désigne la synthèse in situ d'un fluorophore organique appliqué à la détection ou l'imagerie de (bio)analytes d'intérêt. Les travaux de son groupe, qui vont être développés dans la partie suivante, sont les premiers exemples de formation d'un cœur xanthène à partir d'un précurseur acyclique non fluorescent et selon une réaction domino déclenchée par l'analyte à détecter.