I.1.Le Scandium : l’élément et sa chimie de coordination
Le scandium Sc est dans la 3éme colonne de la classification périodique ( [ A r ] 3 d14 s2) et existe principalement au degré d‘oxydation +III. Il a été montré dans la littérature qu‘il peut exister dans certains complexes iodés au degré d‘oxydation + II [6]. Il existe aussi au degré d‘oxydation + I mais il est particulièrement instable à cet état. Le scandium a un comportement chimique intermédiaire entre celui de l‘aluminium et des lanthanides ; cependant plus proche de la chimie des lanthanides. C‘est un élément qui est plus petit que les lanthanides avec un rayon ionique de 0.68 Å. C‘est un élément électropositif avec une électronégativité selon Pauling de 1.36 et dont les potentiels redox varient entre -2,25 à -2,52 V. Sa chimie est principalement ionique, son diagramme de spéciation est connu en phase aqueuse et est présenté à la figure 1.
Figure 1: diagramme de spéciation du Scandium (cSc=10-3M)
Le caractère acide de son état trivalent, lié à son faible rayon atomique et sa forte charge électronique [7], conduit l‘ion métallique à se coordonner avec des espèces donneuses riches en électrons : ligands contenant des donneurs principalement azotés ou oxygénés tels que les groupements carboxylates, phosphonates, hydroxamates ou amines. C‘est un acide de Lewis, c‘est aussi un acide dur au sens de Pearson.
Le scandium forme avec ces molécules des complexes dans lesquels le métal présente le plus souvent une coordinence qui est supérieure à 6 et peut aller jusqu‘à 9 même si les complexes octaédriques sont les plus communs [8]. La structure d1 du scandium favorise
0 20 40 60 80 100
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH
%
Sc+3 ScOH+2 ScO+ Sc(OH)3 Sc(OH)4- NaClO4 0.1 M
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l‘obtention de multiples géométries par distorsion de type Jahn-Teller pour les complexes de géométrie octaédrique (t2g)1(eg)0. Dans les complexes octaédriques, l‘effet Jahn-Teller est principalement observable lorsqu‘un nombre impair d‘électrons occupe le niveau Eg. On devrait également observer un effet Jahn-Teller lorsque les orbitales T2g ne sont pas complètes. Pour le scandium, on prévoit une déformation Jahn Teller de type bas spin principalement avec des déformations selon l‘axe C4.
Des données expérimentales sur les constantes de stabilité des complexes couramment utilisés, tels que le DTPA, DOTA, NOTA et TETA déterminées par titrage potentiométrique ont déjà été publiées et sont reconnues comme valeurs de référence [9]. En particulier, le ligand chélatant DOTA se lie aux métaux de transition et les terres rares avec une grande stabilité dans des conditions physiologiques de pH et de température, ce qui conduit à son utilisation in vivo. Cependant, pour le scandium, il n'y a pas de données pertinentes disponibles dans la littérature, à l'exception du système Sc-EDTA, pour lequel la constante de stabilité a été déterminée (log KML = 23,169). La détermination par rayons X de structures de complexes Sc-DOTA dans lesquels le Sc a un nombre de coordination de 8 et une géometrie antiprisme carrée (SA) sans molécule d‘eau apicale a été réalisée par une équipe italienne [10]. Ils ont montré que les distances de liaison Sc-N sont d‘environ de 2.44 Å et les liaisons Sc-O sont de l‘ordre de 2.15 Å. Ils ont également montré qu‘il y a au moins deux isomères SA pour le complexe Sc-DOTA avec deux angles de torsion différents des bras acétate.
De plus, les complexes [Ln(DOTA)(H20)]- en solution adoptent une haute symétrie : une symétrie antiprisme carré (SAP ou M) et une symétrie antiprisme carré twistée (TSAP ou m).
L‘isomère m domine par rapport à M pour les premiers lanthanides Ln3+ de la série (Ln= La- Pr) alors que c‘est l‘isomère M qui devient dominant pour les ions plus petits (Ln=Eu-Lu) [11]. D‘autres facteurs structuraux tels que la taille de la cavité, la rigidité des macrocycles, le type et la position des atomes donneurs jouent un rôle significatif sur la liaison macrocycle métal. L‘introduction de N-substituants, comme les acétates et les méthylphosphonates, dans le squelette carboné des macrocycles augmente l‘inertie cinétique des complexes vis-à-vis de la dissociation et conduit à des composés d‘une extrême stabilité.
I.2.Radio-isotopes du Scandium et voies de production
Les radio-isotopes du Scandium sont d'intérêt pour le diagnostic et la radiothérapie ciblée. Le Scandium-47 a une demi-vie de 3,35 jours et émet deux particules d‘énergies modérées : une particule β- (600 KeV, 100 %) et un rayon gamma (159 keV, 68 %) comparable au Cuivre-67, un radionucléide prometteur pour la thérapie ciblée. Le 44Sc est un émetteur β+ (632 keV, 94,27
%) avec une énergie comparable au 18F mais une demi-vie plus longue de 3,97 heures. Le schéma
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de décroissance est rappelé à la Figure 2. Le 44Sc peut servir comme un substitut d'imagerie pour plusieurs métaux trivalents, y compris les lanthanides et l‘yttrium en couplant au même vecteur biologique et estimer la dosimétrie pour la thérapie avec le 47Sc.
Figure 2: schéma de décroissance du Scandium-44 [12]
La production du 44Sc peut être réalisée sur cyclotron par irradiation de 44Ca enrichi avec un faisceau de protons selon la réaction nucléaire 44Ca (p, n) 44Sc ou par irradiation du 44Ti par des protons. Actuellement, les caractéristiques du Cyclotron Arronax [13] permettent la production du 44Sc via la réaction nucléaire 4 4 Ca (d, 2 n). Dans ce cas, l'état isométrique du 4 4Sc, le 4 4 mSc est coproduit (10% de l'activité totale) simultanément. Le 44Sc est également produit à l‘aide du générateur 44Ti/44Sc et la production d'un tel générateur a été décrite dans la littérature et permet de générer des batchs d‘activité de l‘ordre de 2 mCi (74 MBq). Le
44Ti est produit via la réaction nucléaire 45Sc (p, 2n). Le 44Ti nécessitant un faisceau de protons de haute énergie (25 MeV proton, 200 µA, longue irradiation). L'irradiation de 1,5 g de matériau cible, permet de produire environ 5 mCi (185 MBq).
Le 47Sc quant à lui, peut être produit soit par irradiation neutronique du 46Ca produisant du 47Ca qui se désintègre en 47Sc, ou par irradiation du 48Ti enrichi par un faisceau proton selon la réaction nucléaire 48Ti (p, 2p) 47Sc.
I.3.Extraction / purification du Scandium
Un protocole a été développé et optimisé pour l‘extraction et la purification du 44Sc à partir du générateur 44Ti/44Sc. Le principe consiste à une adsorption du 44Ti irradié sur une résine
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échangeuse d‘anions : Bio-RadAG1-X8(200–400mesh, Cl--form) préalablement conditio- nnée. Le 44Sc est ensuite élué avec 20 ml d‘un mélange de 0,005 M H2C2O4 (acide oxalique) / HCl 0,07 M [14].
L'éluat a été directement retraité sur une colonne miniaturisée contenant une résine échangeuse de cations AG50W-X8(200–400 mesh, forme H+, 53mg), sur laquelle le 44Sc est quantitativement adsorbé, puis élué avec 3 ml d‘acétate d‘ammonium tamponné à pH 4.
Le 47Sc peut être produit à partir du 48Ti. Après irradiation, la cible d‘oxyde de titane 48TiO2 est dissoute dans l'acide sulfurique concentré, évaporé à sec puis dissous dans l'eau contenant 0,3%
de peroxyde d'hydrogène pour oxyder le Ti à l'état +4 enfin il est séparé comme précédemment décrit. Brièvement, le 47Sc sans entraineur froid (45Sc), est séparé du matériau cible de Ti à l‘aide d‘une colonne échangeuse de cations. Le 48Ti est d‘abord élué avec de l‘HCl 1,0 et 2,0 N. Le
47Sc est ensuite élué avec un mélange d‘HF 4 N et d‘HCl 0,1 N. L‘éluat contenant le 47Sc est ensuite évaporé à sec, repris avec de l'eau régale, puis deux fois avec de l‘HCl concentré et enfin avec du peroxyde d'hydrogène à 30 %. Le résidu est ensuite dissous dans l'eau et chargé sur une seconde colonne pour éliminer les traces finales du matériau cible et autres traces d'impuretés métalliques. Enfin le 47Sc est élué et évaporé à sec comme précédemment décrit.
I.4.Comportement biologique du Scandium
Une partie de la recherche se focalise sur la visualisation de molécules caractérisant des états pathologiques, à l‘état de traces. Pour être un bon agent, le métal ne doit pas posséder de fonctions physiologiques connues chez les mammifères tenant en compte que son administration comme ion libre est généralement très toxique, même à très faibles doses (µmol.kg-1). C‘est pour cette raison il est nécessaire de trouver des ligands qui forment des complexes avec une grande stabilité avec ces métaux. La très forte affinité montrée par exemple par le Gd(III) envers quelques acides polyaminopolycarboxylés, cycliques ou linéaires, a été exploitée pour former des complexes très stables (log KML > 20).
Les propriétés pharmacocinétiques ont montré que ces ligands se distribuent dans les fluides extracellulaires et sont éliminés par filtration glomérulaire. Le besoin de cibler des molécules présentes à très faibles concentrations nécessite le développement d‘une nouvelle classe de ligands caractérisés par des capacités de ciblage accrues.
Le scandium peut être changé entre la transferrine et la ferritine in vitro, bien qu‘in vivo la liaison à la ferritine apparaisse négligeable comparée aux autres métaux de transition. In vivo, il a été montré [15] que la transferrine joue un rôle majeur dans le transport du Sc dans le plasma et que seul le complexe scandium protéine du sérum est observable. La ferritine joue
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un rôle mineur dans le métabolisme du scandium in vivo. Le scandium est aussi associé in vivo avec des molécules organiques de petit poids moléculaires.
De plus, il a été rapporté que le Sc3+, Y3+ et La3+ se lient à la globuline et l‘ADN et le transfert est important pour le Sc3+ ou l‘Y3+ vers les protéines du plasma sanguin [16]. Il a aussi été montré que les complexes Sc-EDTA sont rapidement métabolisés par les reins puis éliminés par l‘urine, alors que le ScCl3 est intensivement métabolisés au niveau le foie et la rate chez la souris. Le ScCl3 et Sc-NTA se fixent plus fortement à l‘α-globuline que l'albumine dans les études d‘équilibre de dialyse. Bien qu'il ait été montré que le Sc se lie à la fraction β-globuline in vivo en particulier à la transferrine, il peut aussi bien se lier à d'autres protéines.
Il a été montré que lorsque le complexe Sc-NTA était injecté avec des concentrations relativement fortes de Sc, le métal était accumulé au niveau des os (environ 5%), comparativement aux complexes Sc-Citrate ou Sc-EDTA. Moeller [17] a postulé qu‘il y avait une corrélation entre le rayon ionique des éléments de terres rares (RE) et leur capacité à former des complexes stables. Les complexes forts de terres rares (log KML > 20) se dissocient peu et sont excrétés rapidement alors que les complexes de stabilité intermédiaire (log KML = 15-20) se dissocient davantage et donc l‘élément métallique se dépose dans les tissus et son excrétion est minime.
Les études in vitro ont montré que le comportement biologique du scandium est le même que celui des autres terres rares, par exemple, le scandium forme des complexes très stables avec des agents chélatants du type acide polyaminopolycarboxylique [18]. L‘EDTA et le DTPA présentent un relargage du scandium in vivo et plus particulièrement le DTPA [19].
Le scandium (III) a notamment la propriété d'améliorer le rapport tumoral/non tumoral lors de l‘administration par voie intraveineuse du 67Ga. Le citrate de 67Ga est utilisé pour la détection des tumeurs malignes chez l'homme en utilisant des techniques scintigraphiques. Byrd, B.L. et al [20], ont observé que l'absorption et la rétention du scandium dans certains tissus semblent être extrêmement prolongée. En outre, dans les études de biodistribution impliquant une activité spécifique élevée en 47Sc, ils ont constaté que l'administration du scandium stable a eu un effet sur la biodistribution et a montré une rétention du 47Sc au niveau des tissus. La distribution du 47Sc chez le rat semble être non spécifique au niveau de quelques tissus qui ont montré une affinité particulière pour le radionucléide. La rate est une exception. La raison de la forte accumulation du 47Sc dans la rate n‘est pas évidente, mais ne semble pas être liée à un dépôt de matière colloïdale car les autres tissus réticulo-endothéliaux ne montrent pas une absorption aussi élevée. Une autre approche a été développée des anticorps qui peuvent se lier à des complexes de terres rares-DOTA, permettant l'utilisation de ces complexes in vivo pour le diagnostic et le traitement. Corneille et al, ont travaillé sur l‘anticorps monoclonal 2D12.5
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développé vis à vis son DOTA analogue le NBD ((S) -2- (4-nitrobenzyl) -DOTA). Ils ont constaté que le 2D12.5 se lie non seulement à l‘Y-NBD mais aussi à tous les complexes NBD avec tous les lanthanides. Par contre l‘ion Sc (III) se lie à l'anticorps NBD avec une affinité beaucoup plus faible (<1%) par rapport aux terres rares, probablement du fait du petit rayon ionique du Sc(III).
Ce manuscrit s‘articulera donc autour des axes suivants :
-Dans une première partie, nous dresserons un état de l‘art succinct sur la médecine nucléaire et en quoi le scandium est un radionucléide particulièrement intéressant dans ce contexte. Nous ferons un bilan des connaissances sur la chimie du scandium, les isotopes d‘intérêt et les connaissances en matière de comportement in vivo.
-Une deuxième partie sera consacrée à la description des conditions d‘irradiation et des procédures expérimentales qui ont été suivies pour extraire et purifier le scandium.
-La troisième partie concernera la modélisation moléculaire pour prédire l‘interaction du scandium avec les ligands.
-La quatrième partie traitera de l‘étude thermodynamique et expérimentale sur l‘optimisation du radiomarquage de nouveaux ligands dérivés du DOTA.
-Une cinquième partie sera dédiée aux études permettant d‘établir la faisabilité chimique du générateur 44m/44Sc.
-Une dernière partie présentera les premiers résultats acquis chez le petit animal et les toutes premières images TEP avec le 44m/44Sc.
-Enfin, nous établirons les conclusions de ce travail et les perspectives qui peuvent y être apportées.
Dans ce qui suit, nous avons dressé un résumé des principaux résultats obtenus pour chacune des parties citées ci-dessus.