La bioluminescence est un procédé que certaines espèces animales utilisent pour se camoufler, attirer des partenaires ou des proies, ou se défendre contre des prédateurs. Pour émettre de la lumière, une protéine appelée luciférase catalyse l'oxydation d'une petite molécule appelée luciférine. Durant cette reaction, cette molécule est excitée et émet un photon pour retourner à son état fondamental. La bioluminescence est utilisée en biologie dans de nombreuses applications, comme pour détecter l'expression d'un gène, quantifier l'activité d'une enzyme, ou pour étudier le développement de tumeurs. Une des limitation de cette technique est que la luciférine peut difficilement atteindre le cerveau. En effet, le cerveau est protégé par la barrière hémato-encéphalique ou blood-brain barrier (BBB). Ce projet a pour but le developpement et l'évaluation de derivés de la luciférine permettant d'améliorer le passage de cette molécule à travers la BBB.
Notre approche consiste à attacher par estérification un acide gras au groupe hydroxy de la luciférine afin de la rendre plus lipophile. Cette propriété permet à cette nouvelle molécule de passer plus facilement par diffusion à travers la bicouche lipidique. Une fois entrée dans la cellule, la liaison ester est hydrolysée, libérant ainsi la luciférine. Nous avons donc synthétisé et caractérisé une nouvelle classe de dérivés alkylés de D-luciférine et de son précurseur, le 6-hydroxy-2-cyanobenzothiazole (OH-CBT). Ces composés ont été obtenus par estérification avec des acides gras d'une longueur de chaîne de 5 ou 9 carbones, l'acide pentanoïque et l'acide nonanoïque. Les composés correspondants C5-luciférine, C9-luciférine, C5-CBT et C9-CBT ont été obtenus.
Ces nouveaux composés ont montré qu'ils sont de mauvais substrats pour la luciférase en solution, avec pour résultat une faible émission de lumière. En revanche l'hydrolyse de l'acide gras sous l'action d'estérases présentes dans un lysat de cellules permet la libération de la luciférine et ainsi la production de bioluminescence.
La bioluminescence observée in vitro dans des cellules exprimant la luciferase est supérieure à la luciférine pour nos composés C5-luciférine et C9-luciférine. Après reaction avec la D-cystéine pour former la luciférine correspondante, le C5-CBT présente également une meilleure bioluminescence que le OH-CBT dont il est dérivé. Nous supposons donc que la plus grande lipophilicité de nos composés alkylés facilite leur diffusion vers l'intérieur des cellules.
Les expériences in vivo n'ont pas montré de supériorité des composés alkylés. En effet, l'intensité du signal lumineux émis depuis la region de la tête de la souris n'est pas améliorée par l'utilisation de ces nouvelles molécules. L'utilisation d'une lignée de souris qui experiment la luciferase uniquement dans le cerveau pourrait permettre une meilleure evaluation de l'aptitude des composés à traverser la BBB. Nos molécules présentent toutefois des propriétés nouvelles avec une cinétique de bioluminescence plus lente, ce qui peut être un avantage lors d'expérience nécessitant un temps d'imagerie plus important.
Les prochaines étapes de ce projet consisteront à modifier la D-luciférine et le OH-CBT afin de permettre un transport actif et non passif au travers de la BBB. Il serait possible par exemple d'attacher la D-luciférine à une molécule ou à un peptide transporté de manière active vers le parenchyme cérébral.