Mécanismes photochimiques d`intérêts biologique et

Transcription

ATELIER DE BIOPHOTONIQUE 2010
Mécanismes photochimiques d’intérêts
biologique et médical
Daniel Brault
Directeur de Recherche au CNRS
EVRY, France
INTRODUCTION
Réactions photochimiques
Au cœ
cœur de la vie et sources
d’applications trè
très nombreuses
Les ré
réactions photochimiques sont d’
d’une importance
fondamentale dans l'origine et la pré
préservation de la vie
Photobiologie
¾Photosynthèse
Hydrates de carbone
¾ Vision
¾ Phototropisme
…….
¾ Couche d’ozone stratosphérique
(filtre UV)
hν (UV)
O2
→
2 O°
O3
O° + O2 →
Atelier de Biophotonique 2010 genopole®
1
Applications des ré
réactions photochimiques
¾ Chimie
9 Synthèse organique « fine »
9 Réactions en chaînes initiées par la lumière:
9Photo-halogénation, photo-polymérisation
9Photographie
9Photo-lithographie (imprimerie offset, production de circuit
imprimés, …)
¾ Biologie moléculaire
¾ Médecine
1ère Partie
Absorption de lumiè
lumière
9Etats excité
excités électroniques
9Réactivité
activité photochimique
Loi fondamentale
Loi de Grotthus-Draper : seule une radiation lumineuse absorbée
par un système peut initier une réaction photochimique
Energie
Domaine efficace de longueur d’onde
Cependant, une réaction chimique impliquant des ruptures et/ou des
réorganisations de liaisons, l’énergie doit être suffisante
2
Excitation d’
nergie
d’une molé
molécule par la lumiè
lumière: Diagramme d’é
d’énergie
Absorption
Etat triplet
10 ns
Phosphorescence
Fluorescence
Energie
Etats singulets
1-100 µs
Photochimie
Etat fondamental
Diagramme de Jablonski
Peuplement des états excité
excités de diffé
différentes multiplicité
multiplicité
Etat excité singulet S1
Etat excité triplet T1
Le peuplement direct de l’état triplet est interdit
Il n’est possible qu’à partir d’un état excité
singulet à condition ce dernier et l’état triplet
possèdent la même énergie pour une
géométrie semblable et si un mécanisme
favorise un découplage des spins (notamment
par couplage spin-orbite)
Croisement intersystème
Phosphorescence
Energie
Fluorescence
La désactivation de l’état triplet vers l’état
fondamental est également interdite
La durée de vie de l’état triplet est plus longue
L’émission de phosphorescence est
généralement faible
Etat fondamental S0
Coordonnées moléculaires
Le JABLONJABLON-SKI
3
Mécanismes de photosensibilisation
Type I : Transfert d’é
lectron
d’électron
Réduction
Biomolécule
Biomolécule° -
(ou molécule exogène)
Seuil d’ionisation
Photosensibilisateur° +
0
I*
Paire de radicaux libres
Energie
Etat excité
I
Etat fondamental
ΔE
Le transfert d’électron du
photosensibilisateur excité vers son
partenaire (biomolécule ou molécule
exogène)
est facilité d’une énergie ΔE
correspondant à l’énergie de l’état triplet
Photosensibilisateur
Type I : Transfert d’é
lectron
d’électron
Oxydation
Biomolécule
(ou molécule exogène)
Biomolécule° +
Seuil d’ionisation
0
A
Energie
A*
Etat excité
Paire de radicaux libres
Etat fondamental
ΔE
Photosensibilisateur° -
Les propriétés d'oxydo-réduction
d'une molécule à l'état excité sont
Le gain d’énergie lors du transfert d’électron d’une
biomolécule (ou molécule exogène) vers le
photosensibilisateur excité est accru d’une énergie
ΔE correspondant à l’énergie de l’état triplet
exaltées par rapport à celles
présentées à l'état fondamental
Pouvoir oxydant de photosensibilisateurs à l’état
’état excité
excité :
Potentiels redox
Pour oxyder un partenaire le photosensibilisateur doit avoir un potentiel redox (P/P°-)
supérieur à celui-ci
Potentiels d’oxydation
pH 7 (vs NHE)
Histidine, 1.17 V
Tryptophane, 1.03 V
Tyrosine, 0.93 V
Propofol, 0.93 V
Potentiel
E (*3P/P°-)
E (P/P°-) + ET
Energie triplet
(ET)
TPP ~ 1.46 eV
TPC ~ 1.45 eV
TPB ~ 1.22 eV
Trolox, 0.48 V
*TPP ~ 0.62 V
*TPC ~ 0.57 V
*TPB ~ 0.36 V
TPP - 0.84 V
E (P/P°-)
TPP: tetraphenylporphyrin
TPC: tetraphenylchlorin
TPB: tetraphenylbacteriochlorin
TPC - 0.88 V
TPB - 0.86 V
Atelier de Biophotonique 2010 Genopole
4
Un partenaire : l’l’oxygè
oxygène
Mécanismes de photosensibilisation : Type I
Rôle de l’l’oxygè
oxygène
Formation d’ion superoxide
P* + O2 → P°+ + O2°B°- ou P°- + O2 → O2°- + P ou B
Formation d’oxyradicaux
B° + O2 → BO2 °
Oxygè
Oxygène : Une molé
molécule aux proprié
propriétés trè
très particuliè
particulières
2pσ*
2pπ*
2p
2p
2pπ
2pσ
2sσ*
2s
2s
A l’état fondamental
l’oxygène moléculaire
existe sous la forme
d’un état triplet
2sσ
1s
1sσ*
1s
1sσ
O
(8 électrons)
O2
O
(8 électrons)
5
Mécanismes de photosensibilisation : Type II
Production d’oxygène singulet
Fluorescence
Etat triplet
Etat singulet
phosphorescence
Energie
Etat singulet le plus bas
Minimum: environ
140 kJ/mole
λ < 850 nm
94 kJ/mole
λ: 1,27 microns
Luminescence
Etat fondamental
Etat fondamental : Etat triplet
Oxygène
Photosensibilisateurs : Principales familles
Spectres d’
d’absorption
Porphyrines et dérivés réduits
N
Porphyrine
N
H
H
N
N
H
H
Chlorine
Absorbance
N
N
N
N
Porphyrine
N
Bactériochlorine
Chlorine
N
H
H
N
N
300
Bactériochlorine
400
500
600
700
800
900
Longueur d'onde
PP
mTHPC
mTHPBC
Mécanismes de photosensibilisation :
Photoaddition
Psoralène
6
Processus de photosensibilisation: Rayon d’
d’action
Distance entre le photosensibilisateur et sa cible
¾ Type I, transfert d’électron : contact ou très proche
¾ Photoaddition: contact
¾ Type II, Oxygène singulet
Estimation:
Temps de vie en milieu biologique ~ 0.1 µs
( Diffusion ~ 20 nm
Mesures quantitatives en photophysique et photochimie
¾ Photolyse impulsionnelle par éclair laser
9 Analyse temporelle
¾ Irradiation continue
9 Analyse des produits formé
formés
Méthodes d’é
tudes des états transitoires
d’études
Photolyse par éclair laser - nanoseconde
Détecteur Germanium
Luminescence infra-rouge (1.27 µ)
Oxygène singulet
Photomultiplicateur
Filtres
Monochromateur
Cuve optique
Lumière d’analyse
Phé
Phénomè
nomènes photoinduits
Echelle de temps 10-8 - 1 s
Solution
Monochromateur
Joulemètre
Montage « classique » de
spectrophotométrie
Filtres
Oscilloscope
532, 355, 410-680 nm
Ordinateur
LASER
Nd/YAG/OPO
Pulse 5 ns
Synchronisation
7
Notion de rendement en photophysique et en photochimie
Rendement :
Nombre de molécules produites dans un état donné
(ou nombre d’évenements)/
Nombre de photons absorbé
absorbés
Phosphorescence
Absorption
Etat triplet
Fluorescence
Energie
Etats singulets
Etat fondamental
Photochimie
Rendement de :
fluorescence, φF
formation de l’état triplet, φT
formation d’oxygène singulet, φΔ
formation de radicaux, φX
Mesure de rendements quantiques :
Calcul du nombre de photons absorbé
absorbés
Flux (W)
Irradiance (W m-2)
« Calorimètre »
Surface noire
absorbant la
lumière
↓
échauffement
Mesure de la différence de température entre la
surface absorbante et le corps du calorimètre
→ Flux (W)
Calcul du nombre de photons incidents
Lumiè
Lumière monochromatique, λ (nm)
Flux (Watt)
Energie/unité de temps (Joule/seconde)
Flux de photons ?
Energie d’
d’un photon Ephoton : h ν = h c /λ
/λ (loi d’
d’Einstein)*
h : constante de Planck = 6.626 x 10-34 Joule x seconde
ν : fréquence de la lumière de longueur d’onde λ
c : vitesse de la lumière = 2.998 x 108 mètre/seconde
* Exemple : à 400 nm, l’énergie d’un photon est : 6.626 x 10-34 x 2.998 x 108 / (400 x 10-9) = 4.97 x 10-19 J
Nombre de photons par seconde : Flux (Watt) / Ephoton (Joule)
8
Loi de Beer Lambert : Intensité
Intensité lumineuse absorbé
absorbée
Intensité absorbée
dIal = k Itl C dl
k facteur de proportionalité dépendant de la longueur d’onde considérée
dItl = -k Itl C dl
ou
dItl / Itl = - k C dl
En intégrant sur le parcours l
ln It = - k C l + Constante
Pour l = 0, Constante = ln Io
ln ( Io / It ) = k C l
ou
log ( Io / It ) = k C l/ 2,3
ε = coefficient d’extinction molaire = k/2,3
Absorbance = Abs = log ( Io / It ) = ε C l
It = Io e - 2.3
εCl
It = Io e - 2.3 Abs
Ia = Io - It = Io ( 1 – e - 2.3 Abs)
Loi de Beer Lambert : Intensité
Intensité lumineuse absorbé
absorbée
Relation générale ( une seule espèce absorbante)
Ia = Io ( 1 – e – 2,3 Abs)
Cas particulier : solutions diluées
Absorbance faible ( 1 - e – 2,3 Abs) ≈ 2,3 Abs
(l’expression ex → 1+ x quand x→ 0)
Ia = 2.3 Io Abs
Rendement de production d’
d’oxygè
oxygène
singulet
9
Luminescence infrarouge: une signature spécifique de
l’oxygène singulet aisément détectable
Ordonnée à l ’origine (V)
Signal de luminescence à 1.27 μ (mV)
Détermination du rendement quantique de production
d’oxygè
oxygène singulet (ΦΔ) par photolyse par éclair LASER
25
20
15
10
5
0
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
200
400
600
800
1000
0
5
10
15
20
25
Énergie LASER (u.a.)
Temps (µs)
Le rendement est calculé
par rapport à un standard
Porphyrine dans du méthanol
deutéré (CD3OD)
Oxygè
Oxygène singulet - rendement de formation :
Capteurs chimiques
1O
2
+ DPBF
1O
2
→ 3O2
→
DPBFox
Φ DPBFox
kr
DPBF
O
kd
1/ΦDPBFox = 1/ΦΔ + (1/ΦΔ) x (kd/kr) x 1/[DPBF]
1/ΦΔ
1,3-diphenylisobenzofuran
(λmax = 414 nm)
Détermination du nombre de photons
absorbés par le photosensibilisateur
( Rendement quantique absolu
- kr/kd
Rendement de production d’oxygène
singulet par des azaphthalocyanines
Rendements quantiques
Classe de
photosensibilisateur
Rendement triplet
(ΦT)
Rendement oxygène
singulet
(ΦΔ)
Porhyrine
0.7 – 0.85
0.55 – 0.75
Chlorine
0.7 – 0.85
0.55 – 0.75
Bactériochlorine
0.3 – 0.75
0.3 – 0.5
Phtalocyanine
0.5 – 0.4
0.3 – 0.4
10
Réactivité
activité des états excité
excités et cibles
biochimiques des espè
espèces activé
activées de
l’oxygè
è
ne
oxyg
Réactions de l’l’oxygè
oxygène singulet avec les diè
diènes
H
HOO
+
1
+
1
+
1
réaction « ene »
O2
X
X
O2
O +
O
O2
O
Formation de dioxétane
O
Cycloaddition
Exemples de ré
réactions de l’l’oxygè
oxygène singulet avec des
biomolé
biomolécules
Acides aminés
Bases nucléiques
11
Peroxydation des acides gras
H
1
O
O
O2
Diènes conjugués
λ = 233 nm; ε = 27000
H
R°, RO2°
H°
O
°
O
H
L°
°
Ion métalliques
Radicaux (R°)
O2
°O
O
Mécanisme de
peroxydation en chaîne
O2
RO2°
O
O°
Cholesté
Cholestérol
Oxygène singulet
(Type II)
Hydroperoxide 5α-OOH
Cholestérol
Radicaux libres
(Type I)
Le cholesterol constitue un
« marqueur interne »
renseignant sur les mécanismes
de photosensibilisation
Hydroperoxide 7β-OOH
Hydroperoxide 7α-OOH
Réactivité
activité de l’l’oxygè
oxygène singulet
Techniques d’
d’irradiation pulsé
pulsée
Modification du déclin en fonction de la
concentration de la molécule X
( Constantes de vitesse (kr + kp) & kd
Signal de luminescence à 1.27 μ (mV)
25
kr
20
1O
2
15
Déclin monoexponentiel
10
kd
5
+ X
Produit(s)
kp
3O
2
+ X
3O
2
0
0
200
400
600
800 1000
Temps (µs)
12
Réactivité
activité de l’l’oxygè
oxygène singulet
12
kQ : Désactivation physique
+
Réaction chimique
kQ(M-1 s-1) x 104
10
Constante de vitesse de
« quenching » ( kQ) de l’oxygène
singulet par des acides gras insaturés
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
Nombre de double liaison
100 kcal/mole
50 kcal/mole
75 kcal/mole
CH3–(CH2)2–CH2–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2– (CH2)6–COOH
Acide linoléique
Constantes de vitesse de « quenching » de l’l’oxygè
oxygène singulet
par des biomolé
biomolécules
MOLECULE
CONSTANTE DE
VITESSE (M-1 s-1)
ACIDES GRAS INSATURES
Cibles biologiques
( Photodégradation
(5 - 10) x 104
CHOLESTEROL
5.7 x 104
HISTIDINE
4.4 x 107
TRYPTOPHANE
5.6 x 107
CYSTEINE
8.9 x 106
METHIONINE
1.4 x 107
PORPHYRINES VINYLIQUES
≈ 1 - 3 x 107
PORPHYRINES NON-VINYLIQUES
≈ 1 x 106
AutoAuto-dégradation (photobleaching
(photobleaching)) ou autoauto-transformation de
photosensibilisateurs
R
Exemple de photo-transformation d’une porphyrine vinylique
NH N
N HN
COOH
COOH
Porphyrine
OO
Oxygène
Lumière
( 1 O2 )
N
OH O
R
NH N
N HN
COOH
COOH
Chlorine
13
Les rendements quantiques de
formation d’état triplet et
d’oxygène singulet déterminent en
premier lieu les qualités d’un
Phosphorescence
Absorption
Etat triplet
Fluorescence
Energie
Etats singulets
Etat fondamental
Photochimie
Intrinséquement, l’énergie des
photons absorbés n’a pas
d’importance
(dans la limite des processus considérés)
2ème partie
Applications des processus
photochimiques
Nouvelles techniques en biologie molé
moléculaire
Applications mé
médicales
Photothé
Photothérapies
Photochimiothé
Photochimiothérapies
Thé
Thérapie photodynamique (PDT)
14
Oxygè
Oxygène singulet :
Une sonde des interactions entre biomolé
biomolécules
Technique AlphaScreenTM
(Packard BioScience).
Oxygène singulet
B
A
Les biomolécules sont conjuguées avec des perles
(beads)
contenant
d’une
part
un
photosensibilisateur (donneur conjugué à la
biomolécule A) et, d’autre part, à un réactif de
l’oxygène singulet (accepteur conjugué à la
biomolécule B) qui émet un signal de
fluorescence. Cette fluorescence est la signature
de l’interaction entre les biomolécules. L’oxygène
singulet agit ici
comme « indicateur de
proximité ».
PhotoPhoto-pontage
Caracté
Caractérisation des interactions entre biomolé
biomolécules
Irradiation lumineuse (ultraviolet)
Excitation directe des biomolécules (bases nucléiques, ….)
( Formation de liaison chimique entre biomolécules en contact
Analyse par électrophorèse, spectrométrie de masse, …
La photomé
photomédecine
Mise en oeuvre de processus bénéfiques
initiés grâce à l ’absorption de lumière par un
chromophore
Chromophore exogène
Chromophore endogène
Photochimiothérapie
Photothérapie
PVA thérapie du psoriasis
(psoralène)
PDT des tumeurs, ...
(Porphyrines)
Ictère du nouveau né
(Bilirubine)
15
Photochimiothé
Photochimiothérapie :
Une vieille histoire encore d’
d’actualité
actualité
Psoralen is one of the oldest
known
chemotheraputic
drugs--the use of a psoralen
containing Nile weed to treat
skin ailments was described
in Ebers papyrus, an early
Egyptian
medical
text
published around 1550 BC
(the
front
page
is
reproduced here). The drug
photocrosslinks DNA and is
shown in this figure to
induce the formation of a
four-stranded junction.
(Eichman, et al., J. Mol.
Biol., 2001, 308: 15-26).
La photomé
photomédecine
Photothérapie de l’ictère du
nouveau-né
PVA thérapie du psoriasis
Action biologique de la lumiè
lumière
Effet photodynamique
Effet photodynamique : Inactivation de systèmes vivants
Paramécies, colorant : acridine
1900 - 1904
Oscard Rabb, Hermann von Tappeiner (Munich)
¾ Lumière
¾ Photosensibilisateur
¾ Oxygène
16
Photochimiothé
Photochimiothérapie antitumorale
Historique
1942 – 1948 Auler & Banzer;
Banzer; Figge et al.
Observations de rétention de porphyrines par des tumeurs ou des
tissus prolifératifs et possibilités de traitement
1955, 1960 – 1967 Schwartz; Lipson et al.
Préparation de l’hématoporphyrine dérivée (HpD) présentant une
rétention marquée par les tumeurs (observée par fluorescence)
1960 - 1993 Lipson;
Lipson; Gregoire; Profio;
Profio; ..
Travaux privilégiant le photodiagnostic grâce à la fluorescence des
porphyrines puis le développement de l’endoscopie
19721972- 1977 Diamond;
Diamond; Dougherty;
Dougherty; Kelly
Intérêt de la photochimiothérapie des tumeurs démontré sur l’animal
(hematoporphyrine, HpD)
1978 Dougherty
Première étude clinique importante en photochimiothérapie des
tumeurs (HpD)
¾
¾
¾
¾
¾
Photochimiothé
Tumeur
Rétention préférentielle
du Photosensibilisateur
Délai (1-72 h)
Photofrin® (QLT &Axcan Pharma, Canada)
• FDA, USA (1995, 1998) Bronches, œsophage
(tumeurs obstructives puis petites tumeurs)
• AMM, France (1996) Bronches, oesophage
• FDA, USA (2003) Dysplasie oesophage de Barrett
Fibre optique
Laser
630 nm
(rouge)
1ère génération
Espèces toxiques à très brève
durée de vie
" Necrose tumorale
Photosensibilisateurs
Foscan ® (Scotia, UK & Biolitec )
• AMM, UE (2001) cancers de la tête et du cou
2ème génération
Mécanismes d’
d’action en photochimiothé
photochimiothérapie antitumorale
Vascularisation
Effets cellulaires
( mort cellulaire
par nécrose ou/et apoptose
Réactions
immunologiques
Tumeur
Artère
Veine
Irradiation
lumineuse
Déplétion
d ’oxygène
Capillaire
3
2
Cellules
Milieu
interstitiel
1
ps
m
Te
Effets vasculaires ( anoxie de la tumeur
Injection du
17
Photochimiothé
Traitement endoscopique
Intérêt majeur
des lasers :
Efficacité de
couplage à une
fibre optique
Hopital Foch,
Suresnes
Traitement de
tumeur
bronchique
Photochimiothé
Laser à diode
_____________ S P E C I F I C A T I O N S _____________
Laser Type InGaAlP Laser Diode, CW
Wavelength 630nm ± 3 nm
Delivery fiber OPTIGUIDE* fiber optic delivery system
Power 2000mW maximum calibrated power output to fiber tip
Cooling Forced air
Power Supply 115 VAC ±10% , 60 Hz < 10A, single phase
Dimensions 485 mm (h) x 220 mm (w) x 405 mm (d) nominal - not including
cuvette
Weight 19.5kg (43lbs) nominal
Applications en photochimiothé
photochimiothérapie
Affections cutané
cutanées
¾ Systèmes d’illumination « conventionnels »
Lampes ou réseaux de diodes luminescentes
Aktilite® CL16
By Photocure ASA
The Aktilite CL16 lamp emits red light and is intended for use in topical photodynamic
therapy (PDT) of skin lesions in combination with Metvix® cream. The lamp illuminates
areas up to 40 x 50 mm.
Performance
Irradiance of approximately 50 mW/cm² at 50 mm distance and an average wavelenght
of approx. 630 nm. The full width at half maximum (FWHM) of emission spectrum is
about 18 nm.
Maximum irradiance variation over the target area is ± 10%.
Dosage can be set manually, but the default is 37 J/cm²
Normal illumination time 8 – 10 minutes
¾http://www.photocure.com/
18
Applications en photochimiothé
Dégénérescence Maculaire Lié
Liée à l ’Age (DMLA)
Rétine
Macula
Visudine® (QLT & Novartis)
AMM, niveau mondial (2000) DMLA « humide »
Dégénérescence maculaire
(Prolifération vasculaire)
Remboursement en France
Photochimiothé
Photochimiothérapies:
rapies: autres applications
¾ Décontamination virale et bactérienne d’élements sanguins
(plaquettes, approuvé par l’UE, Cerus/Baxter, USA)
1
2
¾ Traitement de plasma par le bleu de méthylène (Belgique)
Photochimiothé
Photochimiothérapies:
rapies: autres applications potentielles
Photoangioplastie laser
Plaque athéromateuse
marquée par le
Artère
¾ Photoangioplastie: traitement
d’athérome ou de resténose
(essais cliniques phase 1,
Pharmacyclics, USA)
Fibre optique
Diffusant la
lumière
Fibre diffusante souple
Cardiofocus, USA
19
Photosensibilisateurs
Structure et propriétés
Exigences en photochimiothérapie
Paramè
Paramètre fondamental en photochimiothé
Transmission de la lumiè
lumière
TISSU
Absorption
Seule la lumiè
lumière
absorbé
absorbée par le
est efficace
Lumière
incidente
Réflexion
Réfraction
Diffusion
Particule diffusante
Chromophore endogène
Absorption
Paramè
Paramètre fondamental en photochimiothé
lumière
arrière
Lumière Incidente
avant
Fibre optique
coté
Muscle
Irradiance (unité arbitraire)
106
avant
coté
arrière
105
104
103
102
101
λ : 633 nm
100
0
5
10
15
20
25
30
Distance par rapport à l’extrémité de la fibre (mm)
Dougherty, 1984
20
lumière par les tissus :
Le rouge est mieux transmis
lumière par les tissus : Fenêtre optimale
Transmission optimale
Fenêtre optimale d’excitation
de photosensibilisateurs :
620 à 800 nm
9 Transmission de la lumière par
les tissus
9 Energie minimale pour
produire de l’oxygène singulet ou
des radicaux
Photosensibilisateurs : 1ère génération (AMM)
HO
HO
CH 3
OH
OH
N
HN
NH
N
Hématoporphyrine
CH 3
dérivée (HpD)
Acétylation
Hydrolyse
HN
N
COOH
COOH
Hématoporphyrine
COOH
Photofrin®
NH
N
QLT, AXCAN
O
N
N
HN
HN
COOH
Hématoporphyrine
HVD
Protoporphyrine
OH
Photofrin®
HO
Classe : Porphyrine
N
NH
Fractionnement
NH
N
Dimères et
oligomères
COOH
COOH
COOH
COOH
21
lumière par les tissus
Choix de la longueur d’
d’onde d’
d’excitation des photosensibilisateurs
En photochimiothérapie
on excite le
photosensibilisateur dans
sa bande d’absorption
située vers le rouge afin
de bénéficier d’une
meilleure pénétration de
la lumière dans les tissus
Familles de photosensibilisateurs
Fenètre optimale
Porphyrine
N
N
N
H
N
H
Phtalocyanine
H
N
N
N
Absorbance
H
N
Chlorine
Porphyrine
Bactériochlorine
Chlorine
N
N
N
N
N
H
H
N
N
H
N
N
H
N
N
Bactériochlorine
N
Phtalocyanine
300
400
500
600
700
800
900
Longueur d'onde
Photosensibilisateurs : 2ème génération (AMM)
CH3
H
O
O
O
H
O
H3C
N
H
O
N
H
N
O H
O
N
H
N
N
O
O
O
N
H
N
O
O
CH3
Visudyne® (BPD-MA)
H
Foscan® (mTHPC)
QLT CIBA
Scottia QuantaNova, Biolitec
Classe : Chlorine
Classe : Chlorine
22
Photosensibilisateurs : 2ème génération
Bactériochlorophylle de Palladium
Tookad (Steba Biotech)
Motexafin Lutenium® (Lu-Texaphyrine)
(Pharmacyclics)
H3C
O
H
CH3
H
H3C
H
O
CH3
N
CH3
N
N
Pd
H3C
N
H
N
N
H3C
N
O
N
O
O
Lu++
H3C
O
O
O
N
CH3
O
O
CH3
CH3
-
H
H
HOOC
O
O
COOCH3
O
CH3
H3C C
2
O
H
Photosensibilisateurs : Macrocycles étendus
Composés synthétiques
N
Absorption dans le rouge lointain
N
N
H
N
N
H
N
N
N
Phtalocyanine
λ ~ 680 nm
N
N
H
N
N
H
N
N
N
N
H
N
N
N
N
Naphtalocyanine
N
λ ~ 770 nm
Texaphyrine
λ ~ 740 nm
Photochimiothé
Photochimiothérapie :
Action sé
sélective
Affinité
Cible Photosensibilisateur
Génération d’espèces
transitoires très
réactives
Lumière
Sélectivité basée sur
& Le contrôle de la zone illuminée
> production locale d’espèces actives
& Affinité du photosensibilisateur pour
la cible
23
Dosimé
Dosimétrie
Irradiance
Temps
Dose = f (ελ, Ct, Et, ΦΔ, t )
Coefficient
d’extinction molaire
Concentration du
Rendement en
espèces actives
E = irradiance : puissance par unité de surface (Watt/cm2)
E x t = Fluence : énergie par unité de surface (Joule/cm2)
Pharmacociné
Pharmacocinétique
Mécanismes de sé
sélectivité
lectivité tumorale
Activation par la lumière
Médicament photoactivable
Dommages irréversibles
Médicament traditionnel
Effets réversibles
Activité biologique
Concentration au niveau de la cible
Médicaments photoactivables :
Importance de la pharmacociné
pharmacocinétique
Temps
24
Déterminants physicochimiques de l’l’incorporation et de la
distribution cellulaire de photosensibilisateurs
Photosensibilisateur :
Injection
Dimérisation,
Agrégation
Apoprotéine B100
Phospholipide
DISTRIBUTION
Ester de
cholestérol
autres
transporteurs
libre en
solution
Cholestérol
HDL
LDL
HSA
Diffusion passive
Endocytose fluide ou adsorptive
HSA : Albumine humaine
HDL : lipoprotéine de haute densité
LDL : lipoprotéine de basse densité
Cellule
Mécanismes de ré
rétention de photosensibilisateurs par les
cellules tumorales
Vaisseaux sanguins
Capillaire
3
Cellules
2
Milieu
interstitiel
1
Tumeur
Artère
Veine
Propriétés vasculaires
Propriétés tissulaires
Perméabilité des néovaisseaux
Effets physico-chimiques
Bas pH du liquide interstitiel
6,9 < pH < 7,5
Tumeur
Normal
Propriétés cellulaires
Nombre accru de récepteurs aux LDL
Porphyrines dicarboxyliques :
Effet du pH sur les interactions avec les membranes
Sortie
Phase aqueuse
pH ~ 7,4
Traversée
Groupes
neutralisables
à bas pH :
Transfert accéléré
(x 100)
Phase aqueuse
pH ~ 6,5
Sortie
Incorporation
Biochemistry, 1994, 1995
Biochim. Biophys. Acta, 1998, 1999, 2004
25
Les lipoproté
lipoprotéines de basse densité
densité (LDL) assure l’l’apport de
cholesté
cholestérol aux cellules
Apoprotéine B100
(4536 résidus)
et sont de bons véhicules de
photosensibilisateurs hydrophobes
Esters de cholestérol
Cholestérol (500)
Phospholipides (800)
LDL
Puits
recouverts
Récepteur
de LDL
LDL
Recyclage du récepteur
clathrine
Récepteur
complexe
Libération de
clathrine
Lysosome
primaire
endosome
Libération de
cholestérol dans le
plasma
régulations
enzymatiques
Lysosome
secondaire
Incorporation et localisation subcellulaire
Vésicule d ’endocytose
Endosome
Lysosome
Noyau
Endocytose
Lipoprotéines
Diffusion passive
Membrane
plasmique
Appareil de Golgi
Mitochondrie Reticulum
endoplasmique
Dynamique d’
d’interactions de photosensibilisateurs avec des
membranes ( localisation subsub-cellulaire
+
+
+
+
Affinité pour les membranes modèles
Affinité pour les LDL
Cinétique d’interactions avec les LDL
Transfert à travers les bicouches lipidiques
+
+
+
-
AlPcS2 + LDL
DP + LDL
Fibroblastes HS68
AlPcS2
Lyso-tracker green
Colocalisation
26
Photosensibilisateurs :
Générations futures ?
Objectif : Augmenter la sé
sélectivité
lectivité des photosensibilisateurs envers les
tumeurs en utilisant certaines de leurs caracté
caractéristiques
Surexpression de récepteurs par les cellules tumorales
9 Acide folique
9 Œstrogène
9 Sucres
Couplage de photosensibilisateurs à des molé
molécules ciblé
ciblées vers ces ré
récepteurs
Surexpression de protéases par les tumeurs ou de certaines macromolécules (ARNm)
Systè
Systèmes dont les proprié
propriétés photosensibilisatrices sont « révélées » par
l’action de ces proté
protéases ou par l’l’interaction avec les macomolé
macomolécules
Transport et vectorisation de photosensibilisateurs par des nanoparticules
Développement de photosensibilisateurs
Une association de proprié
propriétés
Structure
Chimique
Photophysique :
Absorption
Fluorescence
Rendement triplet
Formulation
Pharmacocinétique
Localisation
cellulaire
Rapport hydrophile
/hydrophobe
Propriétés en solution
Interaction avec
biomolécules
Photochimie :
Photosensibilisation
Photoblanchiment
Photoproduits
Conclusion
Spectroscopies optiques
Moyens d’analyse sensibles adaptés aux études statiques
et dynamiques
¾
Lumière peut induire des processus photochimiques
Sources de nombreuses applications (mais aussi d’artéfacts)
¾
27

Mécanismes photochimiques d`intérêts biologique et

Transcription

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