Chapitre I : Etat de l’art
I. 6 3 Optimisation de la libération de NO • par excitation à deux photons
I. 6. 3- a) Principe de l’absorption à deux photons
L’autre stratégie pour optimiser la libération de NO• dans les tissus biologiques est
d’utiliser le phénomène photophysique d’absorption à deux photons (ADP, ou TPA pour « Two-Photon Absorption »).
L’absorption à deux photons est un processus de résonance non linéaire du troisième ordre durant lequel deux photons sont absorbés simultanément par un composé à l’état fondamental pour atteindre son état excité. L’énergie nécessaire pour atteindre l’état excité
responsable de la photolibération de NO• en absorption monophotonique est hν1 et correspond
à l’énergie d’un photon dans l’UV-Visible. En TPA, deux photons d’énergie moitié (hν2 =
hν1/2), donc de longueur d’onde double (λ2 = 2.λ1) sont absorbés simultanément (Figure I-
41). Les photons d’excitation sont donc moins énergétiques et cette technique permet d’éviter
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Figure I-41 : Absorptions monophotonique (OPA) et biphotonique (TPA) à l’origine de la libération de NO•
L’absorption à deux photons permet donc d’exciter les composés dans la fenêtre thérapeutique (600-1300 nm). Grâce à l’utilisation de hautes longueurs d’onde, cette stratégie permet aux photons de pénétrer en profondeur au sein des tissus. De plus, cette méthode permet un ciblage accru du traitement puisque le phénomène d’absorption à deux photons a
lieu au point focal du laser (avec un volume d’environ 1 µm3) (Figure I-42).
Figure I-42 : Focalisation des irradiations mono- (à gauche) et biphotonique (à droite) dans une solution de fluorescéine (d’après la thèse de Joëlle Akl, « Photolibération de NO dans les complexes de ruthénium à ligand nitrosyle : nouvelles perspectives en thérapie photodynamique par absorption à deux photons », 2014, Université Paul Sabatier)
Cela s’explique par la relation quadratique existant entre le processus et l’intensité de l’irradiation. Ainsi, le traitement des tumeurs et des plaies ou infections peut se faire de manière sélective sur les cellules se trouvant au point focal, sans endommager les tissus sains.
Sn Sn S0 S0 hνUV-Vis hνNIR hνNIR OPA TPA photolibération de NO•
62 I. 6. 3- b) Mesure de la section efficace
La capacité d’une molécule à absorber deux photons de façon simultanée est évaluée par la section efficace σ (ou « cross-section). Celle-ci est exprimée en Goeppert-Mayer (GM) et est donnée par la formule :
dnp
dt = N . σ. F
2
où dnp
dt est le nombre de photons absorbés par TPA par unité de temps, N la
concentration en molécules actives et F le flux de photons.
Il existe de nombreuses techniques permettant la mesure de la section efficace de composés. Les plus couramment utilisées sont la fluorescence induite par excitation à deux photons (TPEF) et le Z-Scan.
La TPEF, décrite en 1996 par Xu et al., consiste en la mesure du signal de
fluorescence de l’échantillon, généré par excitation à deux photons.118 Ce signal donne le
produit σ.Φf (Φf est le rendement de luminescence) et ainsi la section efficace d’absorption à
deux photons σ peut être déterminée.
Le Z-Scan, présenté en 1990 par Bahae et al., consiste en la mesure de la transmittance de l’échantillon suivant sa position sur l’axe z, direction de propagation du laser. Cette technique permet ainsi la mesure de la section efficace d’absorption à deux photons pour les
échantillons non fluorescents.119 (cf Annexe 6 p.328).
I. 6. 3- c) Propriétés d’absorption à deux photons de quelques complexes Les premiers complexes de fer à ligand nitrosyle à propriétés d’absorption à deux photons ont été synthétisés par le groupe de Ford en 2004. Ils ont modifié le sel de Roussin rouge (RRS) avec des groupements esters et un chromophore protoporphyrine IX ou fluorescéine pour former les complexes PPIX-RSE et Fluor-RSE. Leurs structures sont données sur la Figure I-43.
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Figure I-43 : Les complexes de fer à ligand nitrosyle possédant des propriétés ADP.
Ces ligands ont été choisis pour leurs propriétés ADP. Par exemple la section efficace du ligand porphyrinique PPIX est de 2 GM à 790 nm, ce qui est faible. Le ligand fluorescéine est choisi pour apporter des propriétés de fluorescence au complexe afin de pouvoir mesurer sa section efficace par la méthode TPEF. La section efficace du complexe Fluor-RSE est de 63 GM à 800 nm. Une mesure électrochimique a permis de montrer que l’irradiation de ces
composés par un laser pulsé Ti/saphir à 810 nm provoque la photolibération de NO•. Il a été
prouvé que la photolibération de NO• est due à un processus à deux photons puisque la vitesse
de formation de NO• était proportionnelle au carré de la puissance du laser. 18,120
Dans l’équipe d’Isabelle Malfant du LCC, des travaux ont été menés sur les propriétés
d’absorption à deux photons des complexes trans (Cl,Cl)- et cis (Cl,Cl)-[RuFTCl2NO]PF6,
présentés précédemment dans l’état de l’art. Par le test de Griess il a été prouvé que les deux
isomères pouvaient libérer NO• sous irradiation à deux photons à 810 nm. A cette longueur
d’onde, les complexes ne présentent aucune bande d’absorption monophotonique. Au cours de l’irradiation en présence de réactif de Griess, une bande vers 500-520 nm apparaît sur le
spectre d’absorbance de la solution, caractéristique de la formation du colorant « azo » 121,122
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Figure I-44 : Evolutions des spectres d’absorption de (a) trans (Cl,Cl)- et (b) cis (Cl,Cl)- [RuFTCl2NO]PF6 en fonction du temps d’irradiation (810 nm), en présence de réactif de Griess (d’après Photochem. Photobiol. Sci., 2016, 15, 1484-1491)
De plus, l’absorbance de la solution a été tracée au cours du temps pour différentes puissances P de la source : plusieurs droites sont obtenues. Ensuite, la courbe log (pente) = f (log P) est tracée (Figure I-45). La pente de cette droite est de 1,4 mettant en évidence un processus non linéaire.
Figure I-45 : Cinétique de la photolibération de NO• sous irradiation à deux photons pour différentes puissances de laser (a) et variation de la constante cinétique en fonction de la puissance (b) (d’après Photochem. Photobiol. Sci., 2016,15, 1484-1491)
Dans l’équipe également, l’introduction d’un groupement carbazole sur le ligand terpyridine a été réalisée afin d’augmenter la délocalisation électronique sur ce ligand et augmenter l’effet « push-pull » dans le complexe, dans l’optique d’obtenir une section efficace importante. Par exemple, la section efficace du complexe représenté sur la Figure I-
46 à 800 nm est de 159 GM.123 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 A 505 300 250 200 150 100 50 0 t (min) Plaser=1.54 W Plaser=1.20 W Plaser=1.00 W Plaser=0.62 W Plaser=0.50 W Plaser=0.39 W Plaser=0.30 W Plaser=0.20 W Plaser=0.10 W y = 1.3992x - 2.796 R² = 0.9979 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -1 -0.5 0 0.5 log(s lop e) log(Power) (a) (b) (a) (b)
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Figure I-46 : Structure d’un complexe à ligand terpyridine-carbazole
En 2015, Fowley et al. ont conçu un système pour la photolibération de NO• sous
irradiation à deux photons en greffant un donneur de NO• sur des quantum dots de carbone.124
Ces quantum dots constituent une nouvelle classe de matériaux possédant d’importantes sections efficaces pouvant aller jusqu’à 40 000 GM. Dans les systèmes 3 ainsi obtenus, représentés sur la Figure I-47, sous irradiation, un transfert de charge des quantum dots 1
jusqu’au donneur de NO• (organique) 2 a lieu, favorisant ainsi la photolibération de NO•.
Figure I-47 : Quantum dots liés à un donneur de NO• pour la photolibération de NO• sous irradiation à deux photons
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I. 7. Voies de synthèse de complexes de ruthénium à ligand nitrosyle
Différentes voies de synthèse de complexes de ruthénium à ligand nitrosyle ont été décrites par les groupes de recherche. Quatre voies de synthèse principales sont actuellement utilisées. Celles-ci sont présentées sur la Figure I-48. Le précurseur est le complexe
[RuIIICl3].xH2O (commercialement disponible).
Figure I-48 : Les quatre voies de synthèse principales pour la synthèse de complexes de ruthénium à ligand nitrosyle (d’après la thèse « Photolibération de NO• dans les complexes de ruthénium à ligand nitrosyle : Nouvelles perspectives en thérapie photodynamique par absorption à deux photons » de Joëlle Akl, 2014)