UPThèses

L’efficacité des chimiothérapies anticancéreuses est limitée par le manque de sélectivité des molécules utilisées cliniquement envers les cellules tumorales, provoquant de lourds effets secondaires et conduisant souvent à l’arrêt prématuré du traitement. Le développement de nouveaux médicaments anticancéreux plus sélectifs des tumeurs représente donc un intérêt majeur pour la lutte contre le cancer. Dans cette optique, notre équipe a participé au développement de nombreux vecteurs ciblant différentes caractéristiques des cellules cancéreuses. Parmi ces approches, le ciblage des spécificités du microenvironnement tumoral à conduit à la conception d’un vecteur glucuronylé de la MMAE capable de se lier de manière covalente à l’albumine plasmatique, directement dans le flux sanguin, permettant d’accroitre sa concentration au niveau de la tumeur. L’évaluation de de composé à produit des résultats très encourageants in vivo sur différents types de tumeurs solides. Afin d’augmenter l’efficacité thérapeutique de cette stratégie de vectorisation, nous avons conçu un nouveau vecteur glucuronylé, capable de se lier avec l’albumine plasmatique, comportant trois molécules de MMAE. Son évaluation in vitro et in vivo a permis de démontrer que l‘augmentation de la quantité d’agent cytotoxique véhiculé par la protéine conduit à une efficacité anticancéreuse accrue, sans provoquer l’apparition d’effets secondaires. Par la suite, l’étude de deux autres groupement maléimides, permettant la ligation avec l’albumine plasmatique du vecteur trimérique de la MMAE, a permis d’augmenter la dose maximale tolérée de ce type de vecteur, sans diminution significative de l’efficacité thérapeutique. L’exploitation des glycosidases surexprimées dans les cas de cancers a ensuite été étendue au ciblage de la β-N-acétylglucosaminidase, conduisant au développement du premier vecteur N-acétylglucosaminylé de la MMAE capable de se lier à l’albumine plasmatique. Ce dernier a été évalué in vivo et a conduit à une activité anticancéreuse remarquable chez la souris. Enfin, une plateforme moléculaire trimérique de cyclodextrine, destiné à la vectorisation de la doxorubicine de manière non covalente a été développée. Ce trimère de cyclodextrine comporte un groupement maléimide capable de réagir in situ avec l’albumine plasmatique, permettant d’augmenter artificiellement la capacité de transport de la protéine. Cette propriété a été exploitée in vivo, conduisant à l’augmentation de l’efficacité anticancéreuse de la doxorubicine lors d’un protocole chimiothérapeutique.

La nature représente une source d'inspiration inépuisable pour les scientifiques. Depuis de nombreuses années, les chimistes se sont attaqués à la synthèse totale de produits naturels de plus en plus complexes. Ces efforts ont conduit non seulement à la préparation d’analogues artificiels possédant des propriétés inédites, mais également à la découverte de nouvelles réactions. Bien que de nombreuses générations de chimistes aient été inspirées par la structure des produits naturels, l’imitation des processus utilisés par la nature pour la synthèse des composés organiques a reçu beaucoup moins d'attention. Afin de préparer les molécules essentielles à leur survie, les systèmes vivants utilisent des réseaux moléculaires hautement sophistiqués, constitués de composants interconnectés comme l'ADN, l'ARN, les protéines et les petites molécules. Ces réseaux moléculaires fabriquent des produits naturels extrêmement complexes en contrôlant la formation et la rupture de liaisons chimiques de manière très efficace. Au cours de ces processus, les systèmes vivants utilisent souvent des machines moléculaires fonctionnant de manière processive. Par exemple, des machines moléculaires naturelles telles que la polycétide synthase, l'ADN polymérase ou le ribosome sont intégrées dans des réseaux biochimiques conçus pour la construction itérative de macromolécules naturelles tels que les biopolymères. De plus, ces processus de synthèse sont principalement régulés par des stimuli externes (ATP, pH, enzymes…) qui permettent de contrôler rigoureusement le processus de synthèse. La conception de réseaux moléculaires artificiels, pouvant rivaliser avec les processus naturels de synthèse, pourrait apporter un nouveau paradigme en chimie organique. Ainsi, l'objectif de ces travaux de recherche est de développer des réseaux moléculaires bio-inspirés et programmés pour la synthèse itérative de molécules organiques. Dans ce projet de recherche fondamentale, nous proposons d’étudier un réseau moléculaire polyvalent dédié à la préparation d'une large gamme de composés organiques. Ce dernier sera constitué (1) d’un amplificateur catalytique à base de caténane et (2) d’une machine moléculaire artificielle à base de rotaxane imitant la processivité des polymérases naturelles.

Cette thèse est consacrée à la mise au point d'une machine moléculaire artificielle sous la forme d'un [1]rotaxane, capable de synthétiser différents polymères de façon autonome. Au cours de cette étude, nous avons réalisé la première synthèse hautement diastéréosélective de [1]rotaxanes par la méthode de reconnaissance active catalysée au cuivre(I). Nous avons montré qu'un frein moléculaire est nécessaire pour assurer la stabilité de l'architecture entrelacée. De plus, l'utilisation d'un macrocycle avec une chaine latérale courte est indispensable pour favoriser la synthèse de lassos moléculaires. Enfin, le centre asymétrique du frein moléculaire guide la stéréosélectivité de la réaction. Ceci permet de faire la synthèse stéréodivergente de [1]rotaxanes à partir de macrocycles énantiomériquement purs. La seconde partie du projet concerne et de la processivité potentielle de ce type d'architecture moléculaire. Dans ce cadre, nous avons construit un [2]rotaxane présentant un stoppeur labile et une fonction thiol protégée sur la chaine latérale du macrocycle. La libération contrôlée du thiol induit la formation d'un [1]rotaxane piégé in situ par un nucléophile indiquant le potentiel de cette approche pour la conception de machines moléculaires fonctionnant de façon itérative.

Les systèmes moléculaires sont constitués d'unités distinctes, qui se coordonnent pour permettre l'émergence d'une propriété, ou d'un comportement complexe. Les molécules entrelacées, et notamment les rotaxanes, sont des composés particulièrement adaptés à la réalisation de tels systèmes, en raison de la liaison mécanique qui les caractérise. Grâce au développement impressionnant des stratégies de synthèse permettant d'accéder de façon efficace à diverses architectures entrelacées, de nombreux systèmes fonctionnels ont été développés, et nous nous proposons d'enrichir ce panel à travers trois exemples. Nous avons élaboré le premier rotaxane enzymo-sensible capable de libérer sélectivement un agent anticancéreux, grâce aux actions successives de deux hydrolases. L'originalité de ce système réside dans l'ouverture contrôlée du macrocycle, qui conduit au désassemblage des constituants entrelacés. Notre rotaxane enzymo-sensible est stable dans le plasma et déclenche de façon autonome l'activité du paclitaxel au sein des cellules cancéreuses. Dans un deuxième temps, nous avons étudié la synthèse stéréosélective de rotaxanes présentant une chiralité mécanique et ses applications dans le cadre du contrôle du mouvement à l'échelle moléculaire. Enfin, le dernier projet concerne le développement d'un système moléculaire capable de mimer le fonctionnement d'une enzyme. Ce système doit être en mesure de fonctionner de façon catalytique au sein d'un mélange pour conduire à la formation sélective d'une molécule parmi une multitude de possibilités.

Malgré les efforts extrêmement importants réalisés pour la recherche de nouveaux agents anticancéreux, les traitements par chimiothérapie ne permettent toujours pas de traiter efficacement un grand nombre de tumeurs. En effet, les molécules utilisées cliniquement ne sont généralement pas sélectives des tissus cancéreux et la destruction des tissus sains qu'elles engendrent provoque de lourds effets secondaires. Le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques plus sélectives représente donc un intérêt majeur en chimie médicinale. Dans ce cadre, nous avons développé plusieurs vecteurs non toxiques conçus pour reconnaître des spécificités liées à la malignité puis libérer de manière contrôlée des agents cytotoxiques exclusivement au niveau de la tumeur. Dans le cadre de cette thèse, le concept de vecteur glucuronylé a été adapté à la MMAE et à la cyclopamine. Ces vecteurs pourront être sélectivement activé par la B-glucuronidase présente en concentration importante dans les zones nécrotiques de nombreuses tumeurs solides et ainsi libérer ces agents anticancéreux au niveau des tissus cancéreux. Des études préliminaires visant à évaluer l'efficacité de ces composés in-vitro et in-vivo ont montré la validité de cette approche. Dans un deuxième temps, un vecteur glucuronylé de la doxorubicine pouvant se lier à l'albumine plasmatique a été conçu. Une étude réalisée chez la souris a montré que ce composé possède une efficacité thérapeutique similaire à celle de la doxorubicine et ne provoque pas les effets secondaires constatés lors du traitement avec la drogue seule. La troisième partie est consacrée au développement du premier vecteur activable par la B-galactosidase ut