Transfert d'énergie

II.2.4.1. Le FRET

Le transfert d'énergie par résonance de type Förster42 (FRET, pour "Förster Resonance Energy

Transfer") est un processus non radiatif par lequel un donneur à l'état excité D* (généralement un fluorophore) transfère de l'énergie à un accepteur dans son état fondamental A. L'accepteur passe ainsi à l'état excité A* et son retour à l'état fondamental peut être radiatif ou non-radiatif suivant qu'il s'agisse d'un fluorophore ou d'un simple chromophore non émissif (Figure 16)43. Le premier

41 a) O. Thorn-Seshold, M. Vargas-Sanchez, S. McKeon, J. Hasserodt, Chem. Commun., 2012, 48, 6253-6255; b) M. Prost, L. Canaple, J. Samarut, J. Hasserodt, ChemBioChem, 2014, 15, 1413-1417.

42 T. Förster, Discuss. Faraday. Soc., 1959, 27, 7-17.

43 K. E. Sapsford, L. Berti, I. L. Medintz, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 4562-4589. E*

E

K*

K Absorption de

la forme énol ^{Émission de la} _{forme cétone}

ESIPT Tauto^méris ation N O H

Forme énol (E) Forme cétone (K)

N O H N H N O O O N H N O NH₃+ N NH O N H N O O H LAP

Introduction Générale

37

-cas est généralement observé quand le couple donneur-accepteur est constitué de deux fluorophores, le processus permet d'atteindre des longueurs d'ondes d'émission plus élevées, et une augmentation artificielle du déplacement de Stokes (on parle souvent de déplacement de Stokes apparent ou de pseudo-déplacement de Stokes). Lorsque ce type de couple donneur-accepteur est utilisé, la détection est de type ratiométrique. Le deuxième cas est, quant à lui, souvent mis à profit pour la conception de sondes pro-fluorescentes de type "Off-On" et l'accepteur est appelé "quencheur" (les plus populaires étant les colorants azoïques qui dissipent l'énergie de façon non-radiative via le processus de photo-isomérisation de leur(s) motif(s) -N=N-, e.g., les colorants BHQ pour "Black Hole Quencher"44).

Figure 16. Représentation schématique du FRET entre un donneur et un accepteur.

Afin que ce transfert de type dipôle-dipôle ait lieu, trois critères doivent être réunis : les deux partenaires doivent être suffisamment proches l'un de l'autre (distance comprise entre 10 et 100 Angströms), le spectre d'émission du donneur doit se superposer (du moins en partie) au spectre d'absorption de l'accepteur ; enfin l'alignement des moments dipolaires est également un facteur limitant si l'angle entre les deux composés est égal à 90° (Figure 17)45. Il est intéressant de préciser que des cas particuliers existent. Si les deux partenaires sont des fluorophores identiques, on peut obtenir un transfert de type Homo-FRET se traduisant par un "self-quenching" du système. Du fait de sa simplicité de mise en œuvre, cette stratégie a été utilisée avec succès pour la conception d'agents d'imagerie activables ciblant des protéases d'intérêt46 (e.g., cathepsines, caspases et métalloprotéinases matricielles (MMP)47). Avec certaines paires de fluorophores, il est également possible de former un hétérodimère ("ground state heterodimer") dont les propriétés sont assimilées à celle d'une molécule unique. Ceci conduit à l'extinction de la fluorescence étant donné que les niveaux d'énergie des deux partenaires sont confondus, le transfert d'énergie est interrompu. Ces sondes "quenchées" permettent également la détection d'activités enzymatiques de type protéasique48.

44 A. Chevalier, P.-Y. Renard, A. Romieu, Chem. - Asian J., 2017, 12, 2008-2028.

45 B. Chen, Q. Su, W. Kong, Y. Wang, P. Shi, F. Wang, J. Mater. Chem. B, 2018, 6, 2924-2944.

46 H. Kobayashi, P. L. Choyke, Acc. Chem. Res., 2011, 44, 83-90.

47 C.-H. Tung, S. Bredow, U. Mahmood, R. Weissleder, Bioconjugate Chem., 1999, 10, 892-896.

48 M. K. Johansson, R. M. Cook, Chem. - Eur. J., 2003, 9, 3466-3471.

D* (S1) D (S0) A* (S1) A (S0) Excitation du donneur Transfert d’énergie Donneur (D) Accepteur (A)

Retour à S0non-radiatif du donneur Excitation induite de l’accepteur Retour à S0radiatif ou non de l’accepteur

Conversion interne et relaxation vibrationnelle Résonance

hn’ hn

Introduction Générale

38

-Figure 17. Représentation des trois critères permettant un transfert d'énergie de type FRET.

Ce processus photophysique est utilisé dans la conception de nombreuses sondes pour la détection de différents (bio)analytes49, comme par exemple les réductases. En effet, cibler cette classe d'enzyme permets d'imager les zones de tumeurs hypoxiques mais aussi les différents processus de bio-réduction auxquels elles sont associées50. L'exemple choisi ici est une sonde de type ratiométrique pour la détection de la phosphodiestérase type 1 (PDE1), développée en 2000 par l'équipe de T. Nagano51. Le chemodosimètre fluorescent est composé d'un dérivé de 7-hydroxycoumarine (donneur) et d'un dérivé fluorescéine (accepteur) reliés entre eux par un lien phosphodiester. Lorsque ces deux fluorophores sont liés, l'excitation à 370 nm de la coumarine conduit uniquement à l'émission de la fluorescéine centrée à 515 nm. Après hydrolyse enzymatique, les deux partenaires se retrouvent éloignés et le FRET n'opère plus. L'émission de fluorescence caractéristique du dérivé 7-hydroxycoumarine, centrée à 450 nm est alors observée (Figure 18).

49 Pour des revues sur le principe du FRET mis en œuvre dans la conception de sondes fluorogéniques, voir : a) K. Kikuchi, H. Takakusa, T. Nagano, TrAC 2004, 23, 407-415; b) C.-H. Tung, Biopolymers, 2004, 76, 391-403; c) L. Yuan, W. Lin, K. Zheng, S. Zhu, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1462-1473, d) H.-Y. Hu, S. Gehrig, G. Reither, D. Subramanian, M. A. Mall, O. Plettenburg, C. Schultz, Biotechnol. J., 2014, 9, 266-281; e) C. E. Rowland, C. W. Brown, I. L. Medintz, J. B. Delehanty,

Methods Appl. Fluoresc., 2015, 3, 042006.

50 R. B. P. Elmes, Chem. Commun., 2016, 52, 8935-8956.

51 H. Takakusa, K. Kikuchi, Y. Urano, S. Sakamoto, K. Yamaguchi, T. Nagano, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 1653-1657.

Donneur (D) Accepteur (A)

Spectre d’absorption Spectre d’émission Spectre d’émission Spectre d’absorption Superposition spectrale Longueur d’onde (nm) In te ns ité n or m al is é Donneur Accepteur 10 < d < 100 Å hn Excitation _FRET hn’ Émission

Introduction Générale

39

-Figure 18. Sonde ratiométrique développée par le groupe de T. Nagano permettant la détection d'une activité PDE151. Enfin, il est intéressant d'évoquer le concept du "dark resonance energy transfer" DRET, proposé par le groupe de Y.-T. Chang, où le donneur n'est pas fluorescent ce qui a comme premier avantage : la diminution du bruit de fond. En effet, il n'est pas rare d'observer lorsque le transfert d'énergie n'est pas efficace à 100%, une fluorescence résiduelle du donneur. Cependant, nous ne parlerons pas ce type de mécanisme dans ce manuscrit, mais plusieurs articles sont disponibles dans la littérature52.

II.2.4.2. Le TBET53

Le second processus mettant en jeu un transfert d'énergie entre un donneur et un accepteur est le transfert d'énergie à travers les liaisons (TBET, pour "Through-Bond Energy Transfer")54. Contrairement au FRET, la théorie autour du TBET est moins bien établie et fait toujours l'objet de débats au sein de la communauté des chimistes-photophysiciens. Ce mode de transfert d'énergie ne nécessite pas obligatoirement de proximité spatiale entre les deux partenaires et/ou la superposition des spectres d'émission du donneur et d'absorption de l'accepteur. Les deux partenaires sont liés par un espaceur conjugué à électrons p (e.g., lien éthynyle, phényle, phényle-éthynyle, …), on parle alors de cassettes TBET. Le seul prérequis est que le donneur et l'accepteur soient perpendiculaires entre eux à l'état fondamental, afin d'éviter que le système ne soit totalement conjugué et ne se comporte comme un fluorophore unique à système p étendu. A l'état excité, la rotation devient possible et les deux partenaires se retrouvent dans le même plan ; un phénomène semblable à une délocalisation électronique se met en place permettant ainsi le passage de l'énergie du donneur vers l'accepteur (Figure 19)55.

52 Pour des articles sur le DRET, voir : a) A. Samanta, K. K. Maiti, K.-S. Soh, X. Liao, M. Vendrell, U. S. Dinish, S.-W. Yun, R. Bhuvaneswari, H. Kim, S. Rautela, J. Chung, M. Olivo, Y.-T. Chang, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 6089-6092; b) D. Su, J. Oh, S.-C. Lee, J. M. Lim, S. Sahu, X. Yu, D. Kim, Y.-T. Chang, Chem. Sci., 2014, 5, 4812-4818; c) D. Su, C. L. Teoh, N.-Y. Kang, X. Yu, S. Sahu, Y.-T. Chang, Chem. - Asian J., 2015, 10, 581-585.

53 Pour la dernière revue sortie sur le sujet, voir : D. Cao, L. Zhu, Z. Liu, W. Lin, J. Photoch.. Photobio. C, 2020, Article 100371

54 G.-S. Jiao, L. H. Thoresen, K. Burgess, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 14668-14669.

55 Pour des revues sur le TBET et ses applications en détection, bioimagerie et marquage fluorogénique de protéines, voir : a) A. Loudet, C. Thivierge, K. Burgess, Dojin News, 2011, 137, 1-7; b) J. Fan, M. Hu, P. Zhan, X. Peng, Chem. Soc.

Rev., 2013, 42, 29-43; c) Y. Chen, K. Tsao, J. W. Keillor, Can. J. Chem., 2015, 93, 389-398.

O Cl HO O O H N O P O OH O N H O CO2H O HO O lex = 370 nm lem= 450 nm + lex = 370 nm O Cl HO O O H N OH HO N H O CO₂H O HO O PDE1 lem= 515 nm FRET

Introduction Générale

40

-Figure 19. Représentation schématique du processus de TBET à travers un couple donneur-accepteur lié par un pont éthynyle.

Au début des années 2000, le groupe de K. Burgess56 a été un acteur pionnier dans le développement des sondes fluorescentes basées sur le TBET. Elles se caractérisent notamment par des déplacements de Stokes apparents importants pouvant varier entre 100 nm et 410 nm selon la structure des partenaires fluorescents utilisés57 (Figure 20). Des chemosenseurs TBET ont également été développés pour la détection de cations métalliques58 ou comme sonde à pH59. L'exemple présenté Figure 21 est une cassette TBET 1,8-naphtalimide-rhodamine B réactive vis-à-vis des cations Hg(II). En effet, la complexation de ces derniers par le motif lactame de la rhodamine B conduit à la conversion de la forme spirolactame, non fluorescente, en la forme ouverte conjuguée, colorée et fluorescente58a.

Figure 20. Structure de deux cassettes TBET développés par Zhao et al.57 présentant des déplacements de Stokes apparents différents selon la substitution du BODIPY accepteur.

56 Pour quelques travaux du groupe de K. Burgess sur le sujet, voir : a) G.-S. Jiao, L. H. Thoresen, K. Burgess, J. Am. Chem.

Soc., 2003, 125, 14668-14669; b) J. Han, J. Jose, E. Mei, K. Burgess, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 1684-1687; c)

L. Wu, A. Loudet, R. Barhoumi, R. C. Burghardt, K. Burgess, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 9156-9157; d) Y. Ueno, J. Jose, A. Loudet, C. Pérez-Bolívar, P. Anzenbacher, K. Burgess, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 51-55.

57 Y. Zhao, Y. Zhang, X. Lv, Y. Liu, M. Chen, P. Wang, J. Liu, W. Guo, J. Mater. Chem., 2011, 21, 13168-13171.

58 Pour des publications récentes sur ce type de chemosenseurs, voir : a) M. Kumar, N. Kumar, V. Bhalla, H. Singh, P. R. Sharma, T. Kaur, Org. Lett., 2011, 13, 1422-1425; b) X. Qu, Q. Liu, X. Ji, H. Chen, Z. Zhou, Z. Shen, Chem. Commun., 2012, 48, 4600-4602; c) V. Bhalla, Roopa, M. Kumar, P. R. Sharma, T. Kaur, Inorg. Chem., 2012, 51, 2150-2156.

59 W. Lin, L. Yuan, Z. Cao, Y. Feng, J. Song, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 375-379.

Do nn eu r Accepteur ^hn Excitation à la longueur d’onde lexdu donneur TBET hn’ Émission à lemde l’accepteur ou relaxation non radiative

État fondamental S0

Donneur Accepteur

Introduction Générale

41

-Figure 21. Exemple de cassette TBET pour la détection des cations Hg(II) développée par Kumar et al.58a

Comme pour le DRET, le DTBET pour "Dark Through Bond Energy Transfer", basé sur l'utilisation d'un donneur non fluorescent, a été récemment développé par le groupe de B. Z. Tang. Pour d'avantages de détails sur ce principe, il est possible de se référer à ces travaux60.

II.2.5. AIE ("Aggregation-induced emission") et ACQ ("Aggregation-caused

quenching")

Un phénomène est souvent observé lorsque la concentration en solution d'un fluorophore augmente, il s'agit de l'agrégation du composé qui résulte de fortes interactions p entre les systèmes conjugués des molécules identiques. Dans cette situation, les molécules promues à leur état excité retournent à leur état fondamental par des processus non radiatif, ce qui conduit à une diminution ou extinction totale de la fluorescence61). On parle alors d'extinction induite par agrégation (ACQ), ce phénomène limite fortement l'utilisation de ces fluorophores dans des matériaux pour l'optoélectronique, par exemple les diodes électroluminescentes organiques (OLED, pour "Organic Light-Emitting Diode")62 où les composés sont utilisés sous forme d'agrégats ou de solides déposés en fines couches minces.

La découverte d'un nouveau processus photophysique au début des années 2000 par le groupe de B. Z. Tang63, l'émission induite par agrégation (AIE), a permis de tirer avantage des phénomènes d'agrégation en solution de certaines espèces photoactives (Figure 22).

De nombreux travaux relatifs à des fluorophores et/ou des sondes "intelligentes" AIE ont été récemment publiés et sont bien résumés dans plusieurs revues64,65. L'exemple choisi, pour illustrer

60 Pour des travaux sur le DTBET, voir : a) Y. Chen, W. Zhang, Y. Cai, R. T. K. Kwok, Y. Hu, J. W. Y. Lam, X. Gu, Z. He, Z. Zhao, X. Zheng, B. Chen, C. Gui, B. Z. Tang, Chemical Science, 2017, 8, 2047-2055; b) Y. Jiang, Q. Duan, G. Zheng, L. Yang, J. Zhang, Y. Wang, H. Zhang, J. He, H. Sun, D. Ho, Analyst, 2019, 144, 1353-1360.

61 K. D. Chaudhuri, Zeitschrift für Physik, 1959, 154, 34-42.

62 C.-T. Chen, Chem. Mater., 2004, 16, 4389-4400.

63 Pour la première publication proposant le concept d'AIE, voir : J. Luo, Z. Xie, J. W. Y. Lam, L. Cheng, H. Chen, C. Qiu, H. S. Kwok, X. Zhan, Y. Liu, D. Zhu, B. Z. Tang, Chem. Commun., 2001, 1740-1741.

64 Pour des revues sur l'AIE, voir : a) J. Mei, N. L. C. Leung, R. T. K. Kwok, J. W. Y. Lam, B. Z. Tang, Chem. Rev., 2015, 115, 11718-11940; b) Y. Hong, Methods Appl. Fluoresc., 2016, 4, 022003; c) Q. Zhao, J. Z. Sun, J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 10588-10609; d) I. M. Khan, S. Niazi, M. K. Iqbal Khan, I. Pasha, A. Mohsin, J. Haider, M. W. Iqbal, A. Rehman, L. Yue, Z. Wang, TrAC, 2019, 119, 115637.

65 Pour des revues sur les sondes AIE appliquées à la détection d'activités enzymatiques, voir : a) J. Shi, Y. Li, Q. Li, Z. Li,

Introduction Générale

42

-l'utilisation de ce processus dans la détection de bioanalytes, est une sonde à NTR, TPE-NO2, publié en 2016 par le groupe de G. Zhang et D. Zhang66 (Figure 23). La réduction du groupement nitro par la NTR en présence de son co-facteur, NADH, conduit à l'élimination du dérivé furane permettant la libération d'une pyridine substituée par un rotor tétraphényléthène (TPE), TPE-PY. La diminution de la polarité du composé résulte en une précipitation de TPE-PY, qui sous la forme d'agrégats fluoresce à 525 nm. Des tests de la sonde réalisés à l'aide de cellules HeLa en conditions hypoxiques ont permis de démontrer son efficacité en milieu biologique.

Figure 22. Illustration issue de la revue de B. Z. Tang67, présentant les phénomènes ACQ et AIE. En haut, la fluorescéine dont l'émission verte en solution est intense, et qui est "quenchée" sous forme solide ou en solution concentrée. En bas, le TPE, fluorophore (ou rotor) de type AIE, dont l'émission bleue est uniquement observée à l'état agrégé ou solide. © 2016 Wiley-VCH..

Figure 23. Structure chimique de TPE-NO2 et de TPE-PY (en haut). Principe du mécanisme de détection de la sonde en présence de NTR et de NADH (en bas)66. © 2016 Asian Chemical Editorial Society.