Vendredi 23 Octobre 2020                           

EQUIPE MODES

Modélisation Et Spectroscopie

Thème développé : Exploration de la chimie des radioéléments:

 

Personnes impliquées: Nicolas Galland (MC), Eric Renault (MC), Dumitru-Claudiu-Sergentu (doctorant)

 

Présentation générales

Dans le cadre de cette thématique, nos travaux concernent essentiellement l'utilisation de l'isotope radioactif 211 de l'astate (At) en oncologie. Le principe est de vectoriser le radioisotope vers la tumeur cancéreuse et de la détruire via les particules alpha émises lors de la désintégration du noyau. Cependant, la fixation de 211 At aux biomolécules vectrices demeure un défi qui nécessite à minima d'appréhender la réactivité de At, un élément rare et « invisible » (les outils spectroscopiques usuels ne peuvent caractériser les espèces formées du fait des faibles quantités manipulées). En étroite collaboration avec le groupe de radiochimie du laboratoire SUBATECH (UMR 6457), nous explorons la chimie de base de l'astate grâce aux outils de la chimie quantique. Nous mettons également à profit notre expertise à travers des développements méthodologiques (cf. Axe-1) en calcul relativiste et l'étude d'autres radioéléments (Sc, Po …).

 

Axe-1 : Caractérisation des formes chimiques de l'astate

Avant d'étudier la réactivité de l'astate, il convient d'avoir caractérisé les formes chimiques présentes de At. Notre équipe travaille donc à établir le diagramme de Pourbaix ( Eh , pH ) en milieu aqueux non complexant. At se distingue des autres halogènes par l'existence, en plus de At-, de formes cationiques thermodynamiquement stables, At+ et AtO+, en conditions oxydantes et à pH fortement acide. Au-delà, le cation AtO+ réagit avec l'eau pour former l'espèce AtO(OH) (Figure ci-contre). La valeur particulièrement grande de la constante de cette réaction d'hydrolyse, 10-1,9, est sans équivalent dans la littérature par comparaison aux autres réactions d'hydrolyses de cations monochargés !

Toujours dans le cadre de cette thématique, nous nous sommes intéressés à l'étude de la solvatation d'AtO+. Les résultats de modélisation (Figure ci-dessous) montrent un changement d'état de spin entre la phase gaz (état fondamental triplet, interdisant toute réaction avec la plupart des composés chimiques) et la phase aqueuse (état fondamental singulet) : la solvatation réveille la réactivité d'AtO+ ! Ce comportement unique dans la littérature offre une explication aux problèmes de reproductibilité constatés lors d'expériences avec At. L'astate est produit en cyclotron, puis extrait soit directement en solution aqueuse acide, soit par distillation en phase gaz suivie d'un processus de condensation en solution. Les paramètres cinétiques régissant la conversion de l'astate en phase gaz à l'espèce singulet AtO+ solvatée étant inconnus, il peut exister des différences de réactivité en fonction du protocole de production (extraction par « voie humide » / distillation en phase gaz).

 

Axe-2 : Exploration de la chimie de l'astate

Cette thématique est au cœur du projet sur l'astate. Les premières études, couplant une double approche expérimentale/simulation théorique, ont montré que la réactivité des formes cationiques At+ et AtO+ est non seulement très sensible aux effets du solvant, mais aussi aux effets relativistes de couplage spin-orbite (SOC). Ainsi l'affinité d'AtO+ pour le ligand inorganique SCN- est successivement renversée entre l'azote et le souffre ( cf. populations de Boltzmann sur la Figure ci-dessous) .

Les outils théoriques innovants développés localement, i.e. les programmes d'analyse topologique ELF et QTAIM, ont permis de montrer que le couplage spin-orbite augmente l'aptitude de l'astate à former des liaisons de type « charge-shift ». Pour At, cet effet relativiste est même capable de changer la nature des liaisons, par exemple de principalement covalente dans At–CH3 à essentiellement « charge-shift ». Dans le cas de liaisons formées avec O et N, elles sont dominées par une composante ionique alors que la liaison avec B semble plutôt covalente (Figure ci-dessous). Compte tenu de l'importance des liaisons At-C ou A-B dans la différentiation des protocoles de marquage, en cours de développement pour les applications de 211At en médecine nucléaire, les disparités révélées entre les deux types de liaison pourraient expliquer la moindre déastatination in vivo des biomolécules vectrices marquées par l'intermédiaire d'une liaison A-B.

 

 

Axe-3 : Autres radioéléments

Parmi les radioéléments à visée diagnostique et/ou thérapeutique pour la médecine nucléaire, nous étudions la complexation de différents isotopes produits par le cyclotron Arronax. Les isotopes du Scandium comme le 47Sc et le 44Sc, sont intéressants tant pour la radiothérapie interne (47Sc) que pour l'étude dosimétrique pré-thérapeutique qui pourra être réalisée grâce à l'image obtenue avec la TEP (image de la tumeur traitée) avec le 44Sc. Le 64Cu constitue un autre bon candidat pour l'imagerie moléculaire ainsi que la dosimétrie TEP.