Claude Picard, Sophie Laurent, Nadine Leygue, Olivier Maury, Alexandre Boulay, Robert N. Muller, Luce Vander Elst, Céline Deraeve, Béatrice Mestre-Voegtlé, Centre interdisciplinaire de recherche en biologie (CIRB), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Collège de France (CdF)-PSL Research University (PSL), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC), MemoLife, École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-Collège de France (CdF)-ESPCI ParisTech-PSL Research University (PSL), Laboratoire de chimie de coordination (LCC), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Mons (UMons), Laboratoire de Chimie - 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A new ditopic ligand (L) based on a 2,2':5',4″-terpyridine unit substituted in the 2″,6″ positions with iminodiacetate arms has been designed and synthesized for the construction of Ru(II)L3Ln3(III) supramolecular architectures. The two components of this system, a 2,2'-bipyridine unit for Ru(II) coordination and a pyridine-bis(iminodiacetate) core for Ln(III) coordination, are tightly connected via a covalent Carom(py)-Carom(py) bond. The paramagnetic and photophysical properties of the corresponding tetrametallic Ru(II)L3Gd3(III) complex have been evaluated, highlighting the potential of this metallostar structure to act as a bimodal MRI/optical imaging agent. Variable-temperature (17)O NMR and proton nuclear magnetic relaxation dispersion (NMRD) measurements showed that this complex exhibits (i) a remarkable relaxivity per metallostar molecule, particularly at clinical and high magnetic fields (r1(310K) = 51.0 and 36.0 mM(-1) s(-1) at 20 and 300 MHz, respectively) and (ii) a near-optimal residence lifetime of Gd(III) coordinated water molecule (τM(310K) = 77.5 ns). This is the result of the presence of two inner-sphere water molecules in the Gd(III) components of the metallostar and a slow tumbling rate of the molecule (τR(310K) = 252 ps). Upon excitation in the visible domain (λexc = 472 nm), the Ru(II) component of the complex exhibits a bright-red luminescence centered at 660 nm with a quantum yield of 2.6% in aqueous solutions at pH 7.4. Moreover, this Ru(II)L3Gd3(III) assembly is also characterized by a high kinetic inertness in biological media (PBS and human serum solutions) and a high photostability (photobleaching). Finally, preliminary photophysical studies on RuL3Nd3 and RuL3Yb3 assemblies revealed that the Ru(II) center acts as an effective sensitizer for Ln(III)-based luminescence in the near-IR region. The Nd(III) species was found to be the most effective at quenching the (3)MLCT luminescence of the Ru center.