Thématiques de Recherche

Les activités de recherche du groupe BSMA couvrent la conception, la synthèse et l’évaluation biologique de diverses familles de molécules pour des applications thérapeutiques ciblées. Nos projets scientifiques s’articulent autour de 3 grands axes de recherche associés aux trois classes de composés d’intérêt biologique suivants :
- les peptides, oligopeptides, nucléosides et oligonucléotides modifiés
- les dérivés hétéroaromatiques
- les sucres (glycosides, analogues structuraux…) et la valorisation de différents composés glucidiques issus de la biomasse régionale.
Une activité transversale de modélisation moléculaire est associée à ces différents projets de recherche que ce soit en amont, pour des approches prédictives par dynamique moléculaire ou de docking, ou en aval, pour la compréhension de mécanismes réactionnels.

1 - Les peptides, oligopeptides, nucléosides et oligonucléotides modifiés

1-1 Inhibiteurs sélectifs de la HNE (Human Neutrophile Elastase)

Cette protéase est fortement impliquée dans les bronchopneumopathies. Les squelettes que nous synthétisons contiennent un motif 2-oxopipérazine mimant la conformation des inhibiteurs peptidiques endogènes de la HNE.

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1-2 Les peptides cyclique

Le cyclopentapeptide c(YSNSG) (R = H) possède in vivo une activité antitumorale et anti-angiogénique sur un modèle murin de mélanome. Des analogues linéaires et cycliques (R ≠ H) de ce pentapeptide sont préparés afin d’augmenter la spécificité d’inhibition tout en conservant la conformation en coude b indispensable à l’activité biologique.

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Une autre cible, la Trungapeptine A, un cyclodepsipeptide cytotoxique, récemment isolé d’une cyanobactérie marine du genre Lyngbya a été synthétisé et la cyclisation a été réalisée par macrolactamisation. Les évaluations biologiques sont en cours d’étude que ce soit sur des lignées cellulaires cancéreuses murine ou humaine en collaboration avec le Dr A. Trussardi-Regnier (CNRS UMR 6237, IFR53, Reims).

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1-3 Synthèse d’analogues pseudopeptidiques de la galardine®

La surexpression de certaines métalloprotéinases matricielles (MMP-2, MMP-9) autour des tumeurs en font des cibles potentielles dans la recherche de molécules anticancéreuses. Les pharmacomodulations menées sur la Galardine®, un inhibiteur puissant mais non-sélectif, ont permis de modifier la sélectivité vis-à-vis des MMPs impliquées dans diverses formes de cancer et de l’inflammation. Ainsi, nous avons mis en évidence que le sulfonylhydrazide est un bon groupement chélatant du Zinc (ZBG) permettant de remplacer l’acide hydroxamique. Il offre une activité inhibitrice élevée et une très bonne sélectivité pour la famille des gélatinases (MMP-2 et MMP-9) par rapport aux autres familles de MMPs (matrilysines, stromélysines et membrane type). L’introduction d’une insaturation sur la chaîne latérale a permis d’améliorer la sélectivité pour la MMP-2 vis-à-vis des autres MMPs à l’exception des MMP-8 et MMP-13.
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1-4 Synthèse d’aminoacides non naturel

Intéressés par la synthèse de tryptophanes b-substitués par une voie multicomposante (condensation de l’indole avec des aldéhydes et l’acide de Meldrum), nous avons mis au point une version plus générale utilisant des dérivés du Ti(IV) comme promoteurs. Cette voie permet de remplacer l’acide de Meldrum par différents malonates, nitroacétates, acétoacétates…et est compatible avec d’autres hétérocycles, ouvrant ainsi des perspectives nouvelles vers d’autres aminoacides non-naturels et des systèmes hétérocycliques d’intérêt biologique.

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1-5 Photoréactivité de nucléosides et oligonucléotides modifié

Les analogues de nucléosides renfermant une base nucléique élargie par la présence d’un atome supplémentaire ont des propriétés antivirales et anticancéreuses. Le Laboratoire s’intéresse à la synthèse de ces analogues par voie photochimique à partir de nucléosides azidopyrimidiniques.

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L’exposition des cellules de la peau au rayonnement UV solaire conduit à la formation de photoproduits (PPs) de l’ADN qui accélèrent le vieillissement cutané et induisent des cancers cutanés. Nous étudions les paramètres conformationnels qui gouvernent la formation de ces photoproduits à l’aide d’analogues de nucléotides contraints au niveau des sucres.

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2- Les composés hétéroaromatiques

2-1- Dérivés indoliques
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Parmi les systèmes poly-hétérocycliques portant le noyau indolique, plusieurs possèdent des activités anticancéreuses prometteuses (staurosporine, acriaflavine, UCN 01, granulatimide…). Nos cibles moléculaires, des dérivés fonctionnalisés du carbazole et de l’a- ou b-carboline, sont accessibles par des réactions de Diels-Alder, des couplages pallado-catalysés ou par des réactions en cascade.

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Le motif indol-2-one (oxindole) est présent dans de nombreux produits naturels (horsfiline, spirotryprostatines, gelsemine…), ou de substances synthétiques (3,3-spiroxidoles, 3-alkylidènoxidoles….) d’intérêt biologique.

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Dans ce domaine, notre objectif est de développer une voie rapide, utilisant les réactions radicalaires en cascade, à la synthèse de dérivés 3-substitués d’oxindole et en parallèle, mener une étude de pharmacomodulation sur le système ainsi obtenu.

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2-2- Inhibiteurs de télomérase

La télomérase est une enzyme observée dans 85% des tumeurs humaines, capable de régénérer le télomère en additionnant à l’ADN monobrin des séquences particulières, riches en guanine (TTAGGG) contribuant ainsi à l’immortalisation de la cellule. In vitro, l’organisation des séquences en G-quadruplex inhibe la télomérase. Nous avons synthétisé une série d’acridines 4,5-disubstituées, analogues du BRACO-19, dont plusieurs interagissaient avec les G-quadruplexes.

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3- Sucres modifiés et Valorisation des agro-ressources

3-1- Analogues C-glycosidiques du KRN7000

Le KRN 7000 est une molécule d'origine synthétique, issue de l'étude de relations structure-activité sur des Agélasphines isolées d'une éponge japonaise, Agelas mauritianus. Ces molécules sont des glycosphingolipides possédant une unité D-Galactose polaire (A) liée par un lien anomérique a à une partie céramide. Cette dernière est constituée d'une phytosphingosine (B) et d'une chaîne amide a-hydroxylée (C). Les Agélasphines ayant montré une activité anti-tumorale prometteuse, des études ont été menées afin d'identifier les composés ayant les meilleures propriétés thérapeutiques. Toutes ces recherches ont montré que le KRN 7000 (ou AGL-582) était le meilleur candidat. L'analogue C-glycosidique s'est également montré très prometteur ayant, selon les cibles testées, des activités 100 à 1000 fois supérieures à son parent O-glycosidique.

imge13Notre laboratoire s'est intéressé à la synthèse d'analogues, et une méthode efficace de couplage a été développée. Cette stratégie NOÉ, qui permet la formation d'a-C-(alcynyl)-Galactosides, comprend 2 étapes : tout d'abord l'addition Nucléophile d'un alcyne sur un aldéhyde (étape 1), suivie d'une Ouverture d'Époxyde par l'alcoolate généré intermédiairement (étape 2). Cette méthode a permis la synthèse d'un analogue estérifié de l'a-C-GalCer. Le principal intérêt de cette synthèse est la mise en place tardive des chaînes latérales, ce qui rend plus aisé l'accès à de nombreux analogues (que ce soit en série amide ou en série ester).

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3-2- Les C-pentoside

Si les cycles à 5 sont les « building blocks » les plus importants et les plus répandus dans les produits naturels, leur étude est loin d’être exhaustive compte tenu du nombre de conformations qu’ils peuvent adopter, et donc de la complexité des recherches qui y sont liées.

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Nous avons donc entrepris une étude systématique de modélisation moléculaire visant à prédire les conformations possibles, pour chaque C-furanoside. Une des études modèles consiste à observer le système portant un alcyne sur le carbone C1, un groupement OH sur les carbones C2 et C3 et pour finir un groupement méthyle sur le carbone C4.
A terme, nous comptons mettre à disposition une batterie de squelettes de type C-sucres, adoptant diverses conformations adaptables à un site actif particulier, et ainsi proposer des inhibiteurs modulables d’un point de vue structurel, suffisamment souples pour s’insérer confortablement dans une protéine spécifique.

3-3- La séquence Ireland-Claisen Métathèse (ICM)

Un des projets moteurs de notre équipe est le réarrangement d’Ireland-Claisen ou chélate-Claisen suivi d’une métathèse. Cette méthode permet la synthèse de carbocycles possédant un centre quaternaire hydroxylé ou aminé. Nous avons appliqué cette stratégie à la synthèse de composés d’intérêts biologique.

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middot; Synthèse de l’acide 1,5-dicaféoylquinique (1,5-diCQA)
Le 1,5-diCQA, un puissant inhibiteur de l’intégrase du VIH-1, est une molécule présente dans de nombreuses sources végétales. Une voie de synthèse a été envisagée, avec pour étape clé, la formation du carbocycle par la séquence Ireland-Claisen Métathèse. Ces travaux sont actuellement en cours et ont fait le sujet de la thèse de Nicolas Probst (soutenue en décembre 2009).

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middot; Synthèse des acides aminés quaternaires
L’incorporation des acides aminés contraints diversement fonctionnalisés dans des enchaînements peptidiques permet de contrôler et de restreindre leur conformation. En particulier, ces composés stabilisent des conformations de type hélicoïdales. En appliquant la stratégie chélate-Claisen métathèse développée au laboratoire, la synthèse énantiosélective de plusieurs amino acides cycliques appartenant à la famille des acides 1-aminocycloalkane a été réalisée.

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middot; Synthèse de l’Epibatidine

L’épibatidine est un alcaloïde qui a été isolé pour la première fois à partir de la peau d’une grenouille des tropiques :imge19 Epipedobates tricolor. Ce composé est un analgésique puissant avec une activité environ 200 fois plus importante que celle de la morphine. L’utilisation de la séquence chélate-Claisen métathèse donnera un accès rapide à l’épibatidine avec la possibilité d’incorporer des groupements aryles différents et d’effectuer des tests de structure-activité des analogues obtenus.

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3-4- Iminosucres, thiosucres et l’inhibition des glycosidase

Les glycosidases et les glycosyltransférases représentent deux familles d’enzymes impliquées dans de nombreux processus biologiques fondamentaux. Les analogues de sucres pour lesquels l’oxygène intracyclique est remplacé par un autre hétéroatome : NH pour les iminosucres, S pour les thiosucres ou sulfonium ont été identifiés comme des inhibiteurs puissants de ces deux familles d’enzymes. La conformation de ces analogues structuraux est un facteur primordial pour la reconnaissance et la fixation dans le site actif de l’enzyme. Nous nous intéressons à la préparation d’iminosucres et de thiosucres à conformation contrainte.
Pour les iminosucres, 2 familles de composés sont étudiés : les spirocyclopropyl iminosucres (Collaboration Pr. J. Szymoniak, MSO) et les iminosucres insaturés. Certaines molécules comportant ces motifs structuraux ont montré de bonnes propriétés d’inhibition de l’a-L-fucosidase, une enzyme cible pour la recherche de nouveaux agents antiviraux ou anticancéreux (Collaboration Pr. P. Vogel, tests enzymatiques; Dr. N. Floquet, docking).

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Pour les thiosucres, une voie d’accès rapide et efficace a été mise au point pour accéder soit à des thiopyranoses insaturés originaux comportant une fonction dithioacétal de cétène aisément fonctionnalisable, soit aux sulfoniums dérivés. Ces derniers ont été évalués pour leurs activités d’inhibition de glycosidases avec des résultats préliminaires encourageants.

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3-5- Synthèse de rhamnolipides modifiés
Les rhamnolipides sont des produits naturels issus de bactéries qui sont composés de deux parties : une partie sucre, le L-rhamnose, et une partie chaîne grasse. Récemment, le Laboratoire de Stress, Défenses et Reproduction des Plantes (SDRP) de l’Université de Reims a mis en évidence une activité élicitrice de deux rhamnolipides commerciaux pour la vigne. En effet, ces composés permettent de stimuler les défenses naturelles de la plante et donc d’induire un certain niveau de protection contre les maladies.

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En collaboration avec le laboratoire SDRP qui effectuera les tests biologiques, nous comptons réaliser la synthèse de ces molécules et de divers analogues pour pouvoir mieux cibler la partie responsable de cette activité intéressante. Nous avons envisagé la modification de la longueur de chaîne des acides gras, de la nature et du nombre de sucres et de la configuration absolue du centre stéréogénique présent dans la molécule naturelle.
L’accès aux chaînes grasses est envisagé à partir de l’acide (R) ou (S)-malique. L’utilisation d’une réaction de Wittig permettra la mise en place de chaînes de tailles différentes. Cet intermédiaire clé servira ensuite à la construction de la partie bi-lipidique. Enfin, le sucre sera attaché par une réaction de glycosylation pour former le rhamnolipide.
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3-6- Transformation de co-produits issus de la biomasse

L’acide lévulinique fait partie des 12 molécules désignées par le Département d’Energie Américain (DOE) comme « building-blocks » issus de la biomasse. Cette substance bifonctionnelle (avec la possibilité de fonctionnalisations supplémentaires) est utilisée dans la synthèse régio-, diastéréo-, ou énantiosélective d’hétérocycles d’intérêt biologique (ex : ligands sérotoninergiques à conformation restreinte) ou dans la recherche de nouveaux polymères d’issus d’agro-ressources. Une étude de réactivité d’un dérivé de cet acide a commencé pour mieux comprendre le mécanisme de formation du cycle à 4 atomes de l’azétidinone lors de la réaction du synthon a-b-insaturé bromé avec une amine primaire.

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L’acide D-galacturonique est également une molécule facilement accessible à partir de la biomasse, par hydrolyse des pectines issues en particulier des pulpes de betteraves. En collaboration avec L. Dupont (GCC, thèse en co-direction), nous avons travaillé sur la synthèse et les études de complexation de glycoligands amphiphiles dérivés de l’acide D-galacturonique. Des applications dans le domaine de la vectorisation de cations métalliques pour la cosmétique et également des réactions d’oxydation biomimétiques sont envisagées.

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Dans le cadre du CPER PentoRaf, nous développons une méthode de co-valorisation des pentoses issus de l’hydrolyse des hémicelluloses du son et de la paille de blé : D-xylose et L-arabinose (collaboration C. Portella, MSO). L’objectif est de transformer ces 2 pentoses épimères en un synthon commun en un minimum d’étapes puis de transformer ce synthon en molécules d’intérêt biologique. Des hétérocycles polyhydroxylés analogues de sucres sont visés, en particulier des azépanes, pour des applications vers l’inhibition des glycosidases.

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D’autre part, en collaboration avec des équipes de l’INRA de Reims (UMR FARE 614, C. Rémond) et de Toulouse (UMR 792, M. O’Donohue, R. Fauré), nous envisageons le développement de la synthèse enzymatique de glycosides et d’oligosaccharides en utilisant différentes hémicellulases. Des xylosides d’alkyle à chaînes grasses ont été préparés pour des applications dans le domaine des tensioactifs, des xylosides avec une partie aglycone aromatique sont visés pour des applications biologiques à partir d’une xylosidase et d’une xylanase.

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Modélisation moléculaire appliquée aux molécules d’intérêt biologique

La conception rationnelle via la modélisation moléculaire s'est imposée progressivement au cours des dernières années comme un outil de choix pour la découverte et la synthèse orientée de nouvelles molécules actives. Ce volet modélisation renforce la partie expérimentale de l'ICMR. L’accent est mis ici sur la possibilité d’implanter la mise en œuvre de ces stratégies directement dans l'équipe expérimentale concernée à travers des travaux combinés théorie/expérience. Trois grandes familles d’outils de la modélisation sont mises en jeu ici :
- chimie quantique et outils statistiques pour la détermination de profils réactionnels : exploration de surface d’énergie potentielle, géométrie et énergie de points stationnaires (minima, états de transition).
- mécanique classique et dynamique moléculaire pour l’étude d’objets de dimension biochimique (complexes ligand-récepteur)
- docking moléculaire (classique et quantique)

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Biomolécules : Synthèse et Mécanismes d'Action