Positionnement scientifique

La problématique fondamentale des recherches développées par l’équipe de Pharmaco-Chimie Radicalaire de la Faculté de Pharmacie de Marseille est centrée sur l’obtention de nouvelles molécules à potentialités pharmacologiques via le développement de nouveaux outils synthétiques utilisant les réactions par transfert monoélectronique.

Le projet porté par l’équipe PCR est structuré en 2 grands axes : le développement de nouvelles méthodologies de synthèse à l’image de la conception de nouveaux donneurs d’électrons organiques et l’obtention de nouvelles molécules à potentialités anti-infectieuses et anticancéreuses.

Axe 1 : Donneurs d’Electrons Organiques (DEO): Conception et Applications en Chimie Thérapeutique et Chimie des Matériaux.

Les agents réducteurs possédant une structure organique neutre et un potentiel redox exceptionnellement négatif ont reçu un regain d’intérêt grâce aux récents progrès de leur réactivité en chimie organique.[1] Ces puissants donneurs d’électrons organiques (DEO) sont capables de transférer spontanément un ou deux électrons vers des substrats organiques dans des conditions réactionnelles douces et homogènes. Ils initient ainsi efficacement la formation de nouvelles liaisons par la génération d’intermédiaires radicalaires ou anioniques. Les DEO sont de sérieux rivaux aux réducteurs métalliques classiques, trop agressifs, et représentent donc une nouvelle source d’électrons réducteurs. Jusqu’à présent, ils ont été peu étudiés et les stratégies impliquant une étape de réduction initiée par des DEO ont été insuffisamment explorées malgré leur potentiel synthétique et leur modularité. Par conséquent, leur champ d’application reste assez restreint.

Figure 1. Exemples de donneurs d’électrons organiques  (DEO) et leur équilibre rédox.

Depuis quelques années, l’équipe PCR s’intéresse à cette thématique afin de développer la chimie des réducteurs organiques et d’étendre leurs champs d’application. De par sa solide expérience dans le domaine de la chimie radicalaire, ce travail a mené à la découverte de réactions inédites assistées par mono- ou bi-transfert d’électrons et à la préparation de nouvelles classes de composés avec de fortes activités biologiques (agents anti-infectieux, anti-cancéreux ou actifs sur le système nerveux central).[2]  La stratégie de synthèse utilisant le TDAE a permis par exemple la synthèse de divers dérivés hétérocycliques (nitro-benzyle, quinone, quinoxaline, benzoxazole) en série racémique[3] ou diastéréosélective[4] (Schéma 1). Nous avons également démontré que l’utilisation de réducteurs plus puissants, tel que SED, permettait de nouvelles approches de synthèse, appliquées à la réduction de dérivés nucléosidiques[5] ou à l’initiation de réaction de polymérisation en chaîne[6] (Schéma 2). Cette stratégie induite par les DEO a d’ores et déjà permis d’enregistrer 330 candidats médicaments dans la Chimiothèque Nationale.  

Schéma 1. Exemples de réactions initiées par TDAE.

Schéma 2. Exemples de réactions initiées par SED.

Afin d’étendre les possibilités des DEO, l’équipe PCR s’implique maintenant dans le développement de nouvelles bibliothèques de donneurs d’électrons organiques capables d’aller au-delà des limites actuelles (Figure 2). La variété des donneurs obtenus fournira ainsi une base de données exceptionnelle pour étudier les relations structure moléculaire/réactivité et mieux comprendre les facteurs qui régissent le transfert mono- ou bi-électronique, ainsi que le potentiel de réduction. Il sera ainsi possible de prédire les propriétés de nouvelles structures optimisées et donc le design de nouveaux réducteurs organiques polyvalents.  

Figure 2. Séries de donneurs d’électrons organiques visées.

La forte réactivité de ces énamines à l’oxygène et parfois leur instabilité compliquent leur manipulation et leur stockage, ce qui diminue leur attractivité auprès des scientifiques. Nous nous intéressons donc à des modes alternatifs d’activation de précurseurs stables de DEO et à un système catalytique qui rendront leur usage plus pratique et permettront le développement d’approches latentes et économiques en atomes, des paramètres nécessaires pour les procédés industriels (Schéma 3). Ces systèmes latents, stable à l’air et à l’humidité, pourront être convertis  in-situ  en donneurs d’électrons par activation chimique, thermique ou par irradiation à la lumière. La version catalytique de ces réactions rédox, promue par l’effet coopératif d’un DEO et d’un donneur sacrificiel, permettra de diminuer significativement les quantités de réducteurs utilisées.

Schéma 3. A. Précurseurs de DEO stables à l’air et à l’humidité. B. Système Rédox catalytique

Les DEO obtenus seront exploités dans des réactions de réduction originales et pour l’exploration de nouvelles applications. Cette étude approfondie de leurs aptitudes et de leurs limites, ainsi que des mécanismes impliqués, permettra aux chimistes de se rendre mieux compte des capacités des DEO et élargira leur panel d’applications. Les propriétés rédox des DEO pourront être corrélées aux paramètres stériques et électroniques de leurs structures. En fonction des réactivités et sélectivités souhaitées, le réducteur organique approprié pourra être sélectionné et induire la formation d’un intermédiaire radicalaire ou anionique.

Ces nouvelles méthodologies viendront renforcer notre autre thématique, “Conception de molécules bioactives”, en facilitant la synthèse de composés ciblés. Elles seront notamment des étapes clés donnant accès à de nouveaux motifs hétérocycliques à partir des produits de départs simples et ce, en un minimum d’étapes (Schéma 5). Associés à des réactions de couplage métallo-catalysées, nous pourrons ainsi préparer des dérivés polycycliques, tels que des tétrahydroquinolines et des chromanes, précurseurs de composés à potentialité anti-cancéreuse tels que les flavones et les quinolinones.  D’autres composés hétérocycliques soufrés, tels que le benzothiazole (PMX610), ou des dérivés organoséléniés sont connus pour leurs activités anti-tumorales. Les intermédiaires radicalaires ou anioniques, obtenus à partir de la réduction de dichalcogènes (S-S, Se-Se), pourront participer à des réactions de cyclisation intramoléculaires ou être additionnés sur divers électrophiles (quinoxalines). Cette méthode permettra de s’affranchir de l’utilisation d’hydrures métalliques et de phosphines classiquement utilisés.

Schéma 5. Etapes clés initiées par des DEO pour la préparation de composés à visées thérapeutiques.

Une attention particulière sera accordée au domaine de la chimie des matériaux avec l’utilisation des DEO comme initiateurs de polymérisation. Ce projet fait partie d’une collaboration avec l’équipe CROPS et a récemment fait l’objet d’une première publication dans Angewandte Chemie International Edition.6 Nous avons démontré que les DEO initient une polymérisation simple, efficace à température ambiante, répondant aux normes industrielles de rentabilité, d’économie d’énergie et de sécurité. Leur haute tolérance à différents groupements fonctionnels les rend compatible avec la préparation d’une large gamme de polymères de grande importance industrielle. Les études de réactivité de nos nouvelles séries de DEO permettront d’étendre notre procédé à toute une nouvelle gamme de monomères dans des conditions douces, sans métal, et sans co-initiateur (Schéma 6). Pour améliorer ce procédé hautement innovant, une étude mécanistique complète aidera à i) comprendre les étapes d’amorçage et de propagation de chaîne et ii) préparer des structures de DEO optimisées.

Schéma 6. Synthèse de polymères et co-polymères amorcée par des DEO.

En conclusion, ces projets s’inscrivent dans un contexte de développement de nouvelles méthodologies de réduction, alliant efficacité, modularité et sélectivité, et répondant aux critères de la chimie durable. En effet, les réactions de réduction sont beaucoup moins maîtrisées que les processus d’oxydation, plus largement utilisés pour la fabrication de nombreux objets du quotidien. Avec le déclin des sources fossiles, il est donc urgent de développer des voies alternatives pour accéder à ces composés fondamentaux. Les applications développées permettront d’illustrer le potentiel indéniable de ces réactifs polyvalents aux yeux de la communauté scientifique et industrielle. En terme d’avantages sociaux et économiques, ces résultats seront décisifs pour atteindre le niveau de préparation technologique élevé (TRL) exigé par le programme européen de recherche Horizon 2020 et pour accéder à l’étape de pré-industrialisation de nos concepts.


Axe 2 : Conception de molécules bioactives

L’axe 2 vise à développer de nouvelles molécules et à étudier leurs interactions avec les systèmes biologiques. Afin de répondre aux enjeux thérapeutiques, cet axe s’inscrit dans les champs interdisciplinaires de la chimie organique et de la biologie.

Dans l’optique de développer de nouveaux agents anti-infectieux, nos recherches se concentrent sur la synthèse de molécules hétérocycliques originales possédant une activité anti-infectieuse (anti-parasitaire, anti-bactérienne ou anti-virale). Ces travaux visent à identifier de nouveaux mécanismes d’action moléculaires pour ces dérivés en vue de contourner les mécanismes de résistances développés par les agents infectieux. Parallèlement, d’autres travaux visent à développer de nouveaux agents antiprolifératifs. Dans un objectif de drugabilité, les propriétés physico-chimiques, les relations structure-activité et les paramètres pharmacocinétiques des molécules sont étudiés selon une approche Hit-to-Lead en vue de réaliser des tests in vivo sur modèle animal infecté. Notre laboratoire est membre de la Chimiothèque Nationale du CNRS mettant ainsi à disposition de la communauté scientifique les molécules issues de nos travaux.

Nos projets sont structurés autour de collaborations scientifiques à l’échelle locale, nationale et internationale à l’aide de financements par divers organismes (Agence Nationale de la Recherche, Fondation pour la Recherche Médicale, Partenariats Hubert Curien, Hôpitaux Universitaires de Marseille AP-HM, …)

Thématique antipaludique

Le paludisme a été responsable en 2018 de 405 000 décès, en majorité des enfants de moins de 5 ans, ce qui en fait la première cause de mortalité liée aux parasitoses. En collaboration avec plusieurs partenaires biologistes et parasitologues, nous développons des molécules hétérocycliques originales principalement en deux séries chimiques distinctes.

Projet Nintarmal 2018-2021 (ANR-17-CE11-0017)

De nouveaux hétérocycles trichlorométhylés présentant une analogie avec les bases nucléiques possédent une activité antiplasmodiale avec un mécanisme d’action qui diffère de celui des antipaludiques commerciaux. Une recherche de cibles par chromatographie d’affinité a permis d’identifier deux enzymes : une GTPase Pfrab6 et une pyruvate kinase Pfpyrk1. La validation des cibles parasitaires est réalisée au sein de l’équipe UMR261 MERIT (Paris Descartes). De même, la poursuite des pharmacomodulations autour de ces hétérocycles ont permis d’identifier des molécules possédant une meilleure activité et un meilleur profil cytotoxique (UMR Vitrome, IHU Méditerranée Infection, Marseille). Récemment, il a été identifié que ces molécules possédaient une action sur la biogénèse de l’apicoplaste, un organite essentiel à Plasmodium (IAB Grenoble).

Projet Palukill (Fondation pour la Recherche médicale DCM20181039565)

En série 2-aminothiénopyrimidinone, un composé hit possédant d’excellentes activités in vitro sur les stades érythrocytaire et hépatique de P. falciparum et P. yoelii a été identifé. De plus, un effet sur les gamétocytes est observé démontrant un haut potentiel de blocage de la transmission en  réduisant le nombre d’oocystes et de sporozoïtes dans le vecteur Anopheles. Ce composé exerce son activité antiplasmodiale par un mécanisme d’action différent de celui des antipaludiques commercialisés actuellement. L’activité in vivo pâtit d’une faible solubilité aqueuse et d’une demi-vie courte nécessitant des modifications structurales permettant l’amélioration des paramètres pharmacocinétiques. Pour élucider le mécanisme d’action, une approche chimio-protéomique (chromatographie d’affinité) et phosphoprotémique seront entreprises. Ce projet de chimie-biologie intégrative vise donc à accéder à un nouveau candidat médicament antipaludique actif sur plusieurs stades de P. falciparum et possédant un mécanisme d’action jusque-là non-décrit.

Thématique antikinétoplastidés

Les kinétoplastidés sont des parasites responsables chez l’homme, mais aussi chez les mammifères, d’infections tropicales qualifiées de « négligées » par l’OMS. Parmi celles-ci on retrouve les leishmanioses viscérales, mortelles en l’absence de traitement, qui sont causées par Leishmania donovani et L. infantum. D’autre part, les trypanosomiases humaines africaine (Maladie du sommeil) et américaine (Maladie de Chagas) sont dues à Trypanosoma brucei et T. cruzi respectivement. Ces protozoaires flagellés expriment une ou deux nitroréductases qui, absentes chez l’homme, constituent une cible thérapeutique privilégiée. Parmi les nombreuses séries nitro-hétéromatiques développées au laboratoire, les 3-nitroimidazopyridines ont permis d’obtenir des molécules hits, sélectivement bioactivées par les nitroréductases parasitaires. Les structures chimiques de ces hits sont pharmacomodulées en vue de faire varier leur potentiel de réduction d’une part, et d’améliorer leurs profils physico-chimique et pharmacocinétique d’autre part.

Un autre axe de recherche antikinétoplastidés concerne la pharmacomodulation d’amidoximes antileishmaniennes. Une centaine de structures originales a déjà pu être synthétisée. L’évaluation biologique a permis de faire ressortir des molécules hits, ayant une bonne activité sur les formes promastigotes et amastigotes de Leishmania ainsi qu’une faible toxicité sur les souches cellulaires étudiées.

Thématique antibactérienne

Les infections à clostridium difficile, bactérie anaérobie sporulée, se manifestent par des diarrhées post – antibiotiques pouvant se compliquer de perforations digestives, causant un problème majeur de santé publique, notamment en milieu hospitalier. L’apparition d’un clone particulièrement virulent, clostridium difficile NAP1/O27, est en rapport avec une augmentation des taux de récidives des infections et des résistances aux traitements de première ligne (vancomycine et métronidazole). Le laboratoire s’intéresse depuis plusieurs années au développement de nouveaux 5-nitroimidazoles dérivés du métronidazole, avec 2 objectifs principaux : améliorer l’activité sur les souches bactériennes résistantes et limiter la mutagénicité observée fréquemment avec ce type de composés. Les pharmacomodulations réalisées jusqu’à présent ont permis de développer de nouvelles molécules plus actives in vitro que le métronidazole sur des souches de clostridium difficile particulièrement virulentes cliniquement. Les synthèses sont guidées par l’activité des molécules et leur cytotoxicité afin d’obtenir des composés présentant un indice de sélectivité équivalent à celui du métronidazole.

Thématique antivirale

Suite à la découverte en 2014 du LPCRW_0005, inhibiteur sélectif de la réplication des rhinovirus humains de type B14, le projet de recherche a fait l’objet de nombreux axes de travail. Une étude du mécanisme d’action ainsi que l’identification de la cible ont été réalisées via des tests de mutagenèse dirigée qui ont permis de déterminer les acides aminés clefs dans l’interaction avec la cible. De plus, la structure cristalline du complexe RV-B14 / LPCRW_0005 a été décrite (PDB ID: 4PDW). Depuis, une stratégie combinant la chimie, la biologie et le docking a été menée pour une optimisation supplémentaire de cette classe de composés afin d’élargir le spectre d’action notamment grâce à la conception de candidats médicaments in silico-assistés. Plus de 200 molécules ont été synthétisées et évaluées in vitro permettant d’identifier des molécules hits possédant une CE50 dans la gamme de 30 nM et un index de sélectivité (IS) supérieur à 5800. Le projet s’est également tourné vers l’évaluation de la mutagénicité : des résultats négatifs dans le test du micronoyau in vitro, ont indiqué son absence d’activité clastogénique et/ou aneugénique dans les conditions expérimentales.

Très récemment une étude dédiée à la détermination des paramètres pharmacocinétiques des composés in silico et in vitro a été initiée afin d’obtenir des composés optimisés. Les besoins immédiats du projet résident dans l’élargissement du spectre d’action de nos composés.

Thématique molécules à potentielle activité antiproliférative

De nombreux candidats-médicaments porteurs d’un noyau quinoxaline sont actuellement en phase d’essais cliniques. Parmi eux, le XK-469 s’est révélé être un inhibiteur de la topoisomérase IIb et une étude clinique décrit son utilisation avec succès chez un enfant atteint de neuroblastome (stabilisation de la maladie pendant 14 mois). Dans la continuité de notre activité de recherche axée sur la préparation de nouveaux composés potentiellement bioactifs, nous avons décidé de synthétiser de nouveaux composés de type quinoxaline afin d’explorer le potentiel antiprolifératif de ces dérivés.

De récents résultats ont montré que 8 de nos composés en série quinoxaline porteurs d’une fonction époxyde possédaient une activité cytotoxique sur des lignée de cellules de neuroblastomes SK-N-SH et IMR-32. Une molécule en particulier possédait des IC50 inférieures au XK-469. L’objectif de nos travaux de recherche est actuellement de poursuivre la synthèse de nouveaux composés quinoxaline -époxyde afin d’étudier l’influence de la nature et de la position de divers substituants sur l’activité antiproliférative. Ce projet de chimie thérapeutique, mené en étroite collaboration avec des équipes de biologie, vise donc à accéder à de nouveaux candidats médicaments contre le neuroblastome, un cancer de sombre pronostic faute de thérapeutiques efficaces disponibles jusqu’à présent.

[1] Revue sur le sujet: a) J. Broggi, T. Terme, P. Vanelle, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 384-413. b) S. Zhou, H. Farwaha, J. A. Murphy, Chimia 2012, 66, 418-424. c) J. A. Murphy, J. Org. Chem. 2014, 79, 3731-3746. d) E. Doni, J. A. Murphy, Chem. Commun. 2014, 50, 6073-6087.

[2] Références sélectionnées: a) G. Giuglio-Tonolo, T. Terme, M. Médebielle, P. Vanelle Tetrahedron Lett. 2003, 44, 6433-6435. b) G. Giuglio-Tonolo, T. Terme, M. Médebielle, P. Vanelle Tetrahedron Lett. 2004, 45, 5121-5124. c) G. Giuglio-Tonolo, T. Terme, P. Vanelle Synlett 2005, 251-254. d) O. Khoumeri, M. Montana, T. Terme, P. Vanelle Tetrahedron 2008, 64, 11237-11242. e) O. Khoumeri, T. Terme, P. Vanelle Synthesis 2009, 3677-3683. f) O. Khoumeri, M. D. Crozet, T. Terme, P. Vanelle Tetrahedron Lett. 2009, 50, 6372-6376. g) T. Juspin, M. Laget, T. Terme, N. Azas, P. Vanelle Eur. J. Med. Chem. 2010, 45, 840-845. h) O. Khoumeri, G. Giuglio-Tonolo, M. D. Crozet, T. Terme, P. Vanelle Tetrahedron 2011, 67, 6173-6180. i) O. Khoumeri, M. Montana, T. Terme, P. Vanelle Tetrahedron Lett. 2012, 53, 2410-2413.

[3] a) O. Khoumeri, C. Spitz, T. Terme, P. Vanelle Molecules 201318, 7364-7375.  b) M. Montana, F. Correard, O. Khoumeri, M.-A. Esteve, T. Terme, P. Vanelle Molecules 201419, 14987-14998. c) A. R. Nadji-Boukrouche, O.  Khoumeri, T. Terme, M. Liacha, P. Vanelle Molecules 201520, 1262-1276. d) A. R. Nadji-Boukrouche, S. On, O.  Khoumeri, T. Terme, P. Vanelle Tet. Lett. 201556, 2272-2275. e) C. Spitz, T. Terme, P. Vanelle, Synlett 2016, 27, 301-303.

[4] a) C. Spitz, O. Khoumeri, T. Terme, P. Vanelle Synlett 2013, 24, 1725-1727. b) C. Spitz, A. Lin, T. Terme, P. Vanelle Synthesis, 2014, 46, 3229-3232.

[5] R. Rayala, A. Giuglio-Tonolo, J. Broggi, T. Terme, P. Vanelle, P. Theard, M. Médebielle, S. F. Wnuk Tetrahedron 2016, 72, 1969-1977.

[6] J. Broggi, M. Rollet, J.L. Clément, G. Canard, T. Terme, D. Gigmes, P. Vanelle Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI 10.1002/anie.201600327.