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Notre recherche se concentre sur la réactivité des radicaux organiques étudiée par RPE, SM et RMN, et sur les applications de ces radicaux en chimie organique et biologie. Ainsi, nous sommes impliqués dans la synthèse de nouvelles molécules intelligentes, qui peuvent être utilisées en Chimie des Polymères, Science des Matériaux, Imagerie, Chimie Médicinale pour le cancer ou les parasites, et en chimie radicalaire fondamentale tout comme en RPE. Nos activités re recherche se déclinent selon 7 axes principaux.
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(Pr. G. AUDRAN)
Les maladies inflammatoires des poumons comme la BPCO sont la cause de 2.5 M de morts dans le monde. Ces maladies ont en commun un gros afflux de neutrophiles qui sécrètent des protéases responsables de la perte progressive de la fonction des poumons. Aujourd’hui, il n’y a pas de méthode capable d’évaluer l’activité enzymatique des poumons in vivo. Une telle méthode permettrait un diagnostic précoce d’un déséquilibre de la balance protéase/inhibiteur bien avant la détection de lésions pulmonaires par des méthodes d’imagerie anatomique. Les fonctions pulmonaires pourraient ainsi être préservées grâce à des inhibiteurs de protéases. Nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie de l’activité protéolytique pour les poumons basée sur l’IRM par effet Overhauser (IRMO). Pour cela, nous mettrons à profit un prototype unique ainsi que des agents de contraste récemment synthétisés. D’après des résultats préliminaires, les contrastes attendus se situent dans une gamme allant de 600 à 1200% in vivo, bien au-dessus des réactifs de contraste actuels pour l’IRM (20 à 30% pour les chélates de gadolinium). La méthode sera validée sur des modèles de souris dédiés à l’étude de l’emphysème de la fibrose kystique avec des nitroxydes.
(Pr. MARQUE)
Les structures tertiaires et quaternaires des protéines sont primordiales en biologie comme illustré par leur rôle prépondérant dans les maladies à PRION. La plupart du temps, les structures tertiaires et quaternaires sont étudiées à l’état solide et donc peu de choses sont connues de leur dynamique. Par chance, la RPE est une technique efficace et polyvalente d’investigation de la dynamique des protéines. Cependant, elle requière le développement de nouvelles étiquettes de spin, i. e. les nitroxydes, qui peuvent être, ou bien greffés sur de nouveaux résidus d’acides aminés, ou bien montrer des formes de spectres RPE différentes de celles correspondant aux nitroxydes conventionnels. Notre équipe a déjà obtenu des résultats majeurs dans ces deux sous-axes, qui sont encore en cours d’investigations:
La réaction de Mannich comme procédure pour le marquage de la tyrosine.
Une réaction de Mannich à trois composantes a permis d’étendre le champs du marquage de spin dirigé en permettant le greffage sélectif de l’unique résidu tyrosine de la protéine CP12 (voir image ci-contre), comme confirmé par spectrométrie de masse. La spectroscopie RPE de la protéine marquée a montré une grande mobilité de la sonde, qui est demeurée très mobile après formation du complexe avec la GAPDH.
Nitroxydes caractérisés par des spectres RPE à 6 raies:
Le Marquage de Spin Dirigé (MSD) combiné à la spectroscopie RPE est une approche pertinente pour étudier les transitions structurales dans les protéines en particulier les protéines flexibles ou les protéines désordonnées. Pour dépasser la limitation imposée par la faible diversité structurale et spectrale des marqueurs RPE de type nitroxyde, nous avons mis au point un nouveau marqueur de spin basé sur un nitroxyde β-phosphorylé donnant des spectres à 6 raies. Ce dernier a été greffé sur quatre positions différentes sur une protéine désordonnée modèle capable de se replier en hélice α avant caracterisation par spectroscopie RPE. Les résultats ont démontré que le nouveau marqueur phosphorylé donne une signature caractéristique capable de donner des informations sur le type de transition structurale dans les protéines.
(Pr. MARQUE).
Les deux buts de l’équipe relatifs à cet axe sont:
– L’investigation de la structure intime des matériaux par de nouvelles techniques de RPE. Notre tâche consiste à développer des nitroxydes hautement sensibles à leur environnement. Une première sonde montrant une variation de 25 G de la constante de couplage hyperfine au phosphore en passant du n-hexane à l’eau water a été récemment préparée. Son potentiel a été révélé par le titrage de 0.1% d’eau dans le THF.
– L’investigation de l’irradiation gamma sur les polymères pour la préparation de sacs pour les fluides biologiques. (Collaboration et financement avec la société SARTORIUS Stedim).
(Pr. G.AUDRAN)
Depuis plusieurs années, le développement de nouveaux médicaments anticancéreux repose sur un concept combinant une haute sélectivité associée a une haute activité. Dans ce projet, nous proposons de développer une nouvelle approche dissociant sélectivité et activité. Une haute sélectivité de la prodrogue doit être assurée en utilisant l’activité enzymatique spécifique des cellules cancéreuses pour relarguer un médicament actif conduisant à une haute activité aléatoire et non-sélective. Ceci engendrera des désordres biologiques à l’origine de mécanismes d’apoptose/nécrose ou de procédés immun conduisant à la mort cellulaire.
A notre avis, les radicaux libres constituent la famille d’intermédiaires la plus pertinente fournissant des espèces hautement réactives réagissant aléatoirement. En effet, un excès de radicaux dans les cellules cancéreuses conduit à des modifications de la membrane, des protéines et des lipides conduisant à la mort des cellules cancéreuses. Ainsi, l’augmentation de la quantité de radicaux dans les cellules cancéreuses pourrait constituer une nouvelle approche thérapeutique, aussi longtemps que les radicaux sont générés au bon endroit et au bon moment. Cependant, le succès de cette approche repose sur des prérequis drastiques incluant une génération très bien controllée des radicaux dans les tumeurs, une cinétique controllée de leur génération, et une faible cytotoxicité des prodrogues radicalaires.
Selon nous, les alcoxyamines R1–ONR2R3 sont les molécules les plus pertinentes dans ce but puisqu’elles peuvent subir des ruptures homolytiques relarguant deux radicaux libres:
i) un radical alkyl R1• transitoire et hautement réactif, utilisable en thérapie par génération de désordres biologiques causant ultimement la mort cellulaire. Dans ce but, une alcoxyamine stable sera biologiquement activée par hydrolyse enzymatique en une alcoxamine hautement labile pouvant spontanément se cliver en deux radicaux.
ii) un nitroxyde R2R3NO• stable et persistant, pouvant être utilisé pour le suivi biologique de l’effet du médicament par Imagerie par Résonance Paramagnétique ou des techniques d’IRMO (vide supra). En conséquence, les alcoxyamines ont donc un grand potentiel comme agents théranostiques. Cet aspect est très important pour suivre in situ l’effet du médicament sur des souris modèles, et plus tard, adapter au mieux le traitement du patient.
Ainsi, les alcoxyamines qui sont de petites molécules de faible poids moléculaire et ne présentant pas les inconvénients des nanoparticules (cytotoxicité, accumulation… principalement utilisées en théranostique), montrent des propriétés physiques et spectroscopiques similaires aux nanoparticules, et une activité biologique proche de celle des médicaments.
(Prof. AUDRAN, Prof. MARQUE)
Les alcoxyamines R1R2NO—R3 peuvent se cliver homolytiquement par l’intermédiaire de la liaison NO—C pour relarguer un radical alkyl et un nitroxyde. Elles sont bien connues en polymérisation comme initiatrices de radicaux ou agents de controle en Polymérisation Controllée par les Nitroxydes (PCN). En particulier, notre groupe a développé des relations structure-activité (RSA) pour prédire la vitesse d’homolyse (kd), l’énergie d’activation (Ea) et le temps de demie-vie (t1/2) d’une alcoxyamine. Récemment, nous avons élargi ce concept a des alcoxyamines intelligentes (voir image ci-contre), i.e. alcoxyamines stables (t1/2 (37 ºC) supérieur a plusieurs mois) qui peuvent être chimiquement activées et transformées en alcoxyamines labiles (t1/2 inférieur a quelques minutes) se clivant spontanément homolytiquement.
Nous avons aussi décrit des “alcoxyamines semi-intelligentes”. En effet, nous avons récemment étudié différents types d’activation chimique d’alcoxyamines portant un anneau pyridinyl, et observé une cassure nette du temps de demi-vie passant de t1/2 = 9 mois dans le t-BuPh a 20 °C, a t1/2 = 45 min dans l’eau a 37 °C (i.e. conditions physiologiques) par méthylation. Ceci a clairement montré que les alcoxyamines intelligentes peuvent potentiellement être utilisées comme nouveaux initiateurs de polymérisation, et que la vitesse d’homolyse peut être bien controllée et ajustée pour correspondre aux conditions de polymérisation.
Ainsi, utiliser des alcoxyamines comme initiateurs requière l’optimisation d’alcoxyamines intelligentes: assez stables pour être facilement manipulables a température ambiante (t1/2 > plusieurs mois) mais aussi capables d’être activées en espèces hautement labiles (t1/2 < quelques minutes) relarguant des radicaux libres.
Nous préparons également de nouveaux initiateurs de radicaux pour des utilisations industrielles (Collaboration avec ARKEMA).
(Dr. V. Roubaud, Prof. M. Santelli)
Notre équipe se focalise sur l’activation/homolyse de liaisons C–ON par protonation, alkylation, benzylation, acylation, oxydation et complexation avec des acides de Lewis de l’atome d’azote de différents fragments pyridine: alcoxyamines type SG1 basées sur des fragments: N-(2-méthylpropyl)-N-(1-diéthylphosphono-2,2-diméthyl-propyl)-N-oxyl. L’effet de la quaternisation en position meta est faible comparé aux positions ortho et para. L’effet de la quaternisation en positions ortho, meta et para est etudié par les orbitales de liaisons naturelles et les charges de Mulliken, les interactions HOMO–LUMO dans les composés de départ et l’énergie de stabilisation radicalaire du radical 1-pyridylméthyl relargué par calculs DFT (B3LYP/6-31G(d) et UBMK/6-311+G(3df,2p)//R(O)B3LYP/6-31G(d)).
Ce travail est effectue par calcul theorique relatif a d’autres reactions radicalaires biologiques.
(Prof. AUDRAN, Prof. MARQUE)
Notre équipe travaille aussi a l’étude des effets de solvant sur les nitroxydes, à la décomposition thermique des nitroxydes et des alcoxyamines, à la détermination de constantes de vitesse d’homolyse, et plus généralement aux caractéristiques RPE des radicaux dans différents milieux et différentes conditions.
Collaborations:
Prof E. Thiaudière et Dr. P. Mellet (Université de Bordeaux)
Dr F. Benoit Vical (LCC, CNRS, Toulouse)
Prof. J. Boissier (universite Perpignan)
Prof. J. Larionova (Universite de Montpellier)
Dr A. Azzak (INSERM, Lyon)
Dr C. Frochot (LRPG, CNRS, Nancy)
Dr M. Arthur (INSERM, Paris)
Dr M.-A. jacques (INRAE, Angers)
Dr O. Lyutakov (Universite de Chimie et technologie UCT, Prague, republique tcheque)
Prof. G. Gescheidt (Technical University of Graz TUG, Graz, Autriche)
Prof. D. Carbonera (University of PAdova, Italie)
Dr P. Postnikov (Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russie)
Prof. E. Bagryanskaya et Dr. V. Tormyshev (Novosibirsk Institute of Organic chemistry NIOCh,Novosibirsk, Russie)
Prof. M. Fedin (International Tomography Center ITC, Novosibirsk, Russie)
Prof. M. Coote (Australian national University ANU, Melbourne, Australie)
ARKEMA Company
SARTORIUS Company
HILTI company
KEMONE company
Financements:
2009-2013: ANR NITROMRI.
2009-2012: ANR JCJC D2R2.
2009-2013: ANR SPINFOLD.
2010-2011: CNRS/RAS people exchange program: grant ASR 23961.
2011-2014: ANR JCJC FRaPE.
2011-2015: ANR JCJC SonRadIs.
2013-2016: Industrial grant from SARTORIUS.
2010-2011: CNRS/RAS people exchange program: grant ASR 23961.
2013-2017: JCJC NewRap ANR.
2015-2016: AMIDEX PROBENZYME.
2015-2016: AMIDEX TAG.
2015-2016: AMIDEX DYNACCO.
2015-2016: ARC GlioAlkox.
2015-2019: ANR NAR.
2015-2018: Russian Science Foundation: 15-13-2020.
2016-2019: ANR PULMOZYMAGE.