Synthèse, caractérisation, évaluations biologiques et élucidation du mécanisme d'action de nouvelles thiénopyrimidinones à visée antipaludique

by Prisca LagardÉRe

Thesis project in Ingénierie Biomoléculaire

Under the supervision of Vincent Lisowski.

Ongoing thesis at Montpellier , under the authority of Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , in a partnership with IBMM - Institut des Biomolécules Max Mousseron (laboratoire) and F9. Acides Aminés, Hétérocycles, Peptides & Protéines (equipe de recherche) since 07-01-2019 .

  • Alternative Title

    Synthesis, caracterization, biological evaluations and elucidation of mechanism of action of new antimalarial thienopyrimidinone


  • Abstract

    Malaria is still a major public health problem in 2018, since this infection due to the Plasmodium parasite, present in 91 countries, kills more than 440,000 people every year, with a majority of African children. As observed in most of infectious diseases, the emergence of resistant strains of P. falciparum toward antimalarials is nowadays responsible for a major concern, especially regarding the increasing resistant rate observed toward artemisinin derivatives (ref. treatments for P. falciparum malaria) in Asia, and the subsequent development of multi-resistant strains that could spread worldwide without any therapeutic option. Then, to bypass parasitic resistance, new antimalarials are expected to be active on artemisinin-resistant strains and to possess a novel mechanism of action. It is also crucial to develop new molecules targeting both the asexual (hepatic and erythrocytic) and sexual (gametocytes) stages of the parasite, in a view to block malaria transmission. Our consortium previously identified a multi-stage acting lead compound in the thienopyrimidinone series, called Gamhepathiopine (or M1), which fulfills these criteria by acting on erythrocytic, hepatic and sexual stages of P. falciparum. This original molecule displays excellent in vitro activities even on the artemisinin-resistant parasites. In addition, our lead molecule does not exert its antiplasmodial activity by a mechanism of action already described for marketed antimalarials. Such promising results are however tempered by a rapid hepatic metabolization and a poor aqueous solubility, which limit M1 activity in vivo. In this context, we thus propose to pharmacomodulate M1 to optimize its physico-chemical and pharmacokinetic properties and to potentiate its in vivo activity. To this aim, the metabolic stability issue will be addressed by modifying the two identified sites of metabolization of gamhepathiopine. In addition, the aqueous solubility will be improved by introduction of polar groups and/or synthesis of hydrophilic prodrugs. Additional pharmacomodulation work is also proposed in order to identify new antiplasmodial leads and to modulate the structural relatedness with a purine base, in the hypothesis of a mode of action related to plasmodial kinase inhibition. The new molecules will be evaluated in vitro on the erythrocytic stages (sensible and resistant strains) and for their cytotoxicity. The most active compounds will be studied 1) for their mutagenicity 2) in vitro against hepatic stages (P. yoelii, P. falciparum and P. vivax and for their action on gametocytes and their capacity to block parasite transmission to Anopheles (vector of malaria)) then 3) in vivo, after potential preparation of lipidic nanoemulsions, on a murine model either infected by P. yoelii or humanized and infected by P. falciparum or P. vivax to validate the benefit of the chemical modifications toward PK properties and guarantee the preservation of the multi-stage acting properties. The last part of the project concerns the identification of the gamhepathiopine plasmodial target, in a view to elucidate its novel mechanism of action. A first hypothesis based on M1 chemical structure (purine analogue) and on recent literature data consists in postulating the possible involvement of a plasmodial kinase to explain its antiplasmodial activity. A phospho-proteomic study will thus be conducted to answer this question. In parallel and to extent the study of the mechanism of action of the lead molecule to potential non-kinase targets, an affinity chromatography procedure will be applied to Gamhepathiopine (immobilized on a solid support via a spacer) to try to isolate its target from a plasmodial lysate and to proceed to its identification by MALDI-TOF.


  • Abstract

    En 2018, le paludisme demeure un problème de santé publique majeur puisque cette infection à Plasmodium, sévissant dans 91 pays, tue plus de 440.000 personnes chaque année, dont une majorité d'enfants en Afrique. Comme c'est le cas pour la plupart des maladies infectieuses, l'émergence de souches résistantes de P. falciparum aux antipaludiques est aujourd'hui une préoccupation majeure. On observe en effet la recrudescence, en Asie, de résistances aux dérivés de l'artémisinine (traitement de référence pour le paludisme à P. falciparum) et le développement concomitant de souches multi-résistantes susceptibles de se propager au reste du monde sans option thérapeutique. Par conséquent, dans le but de contourner les résistances parasitaires, les nouveaux composés antipaludiques devront être actifs sur les souches résistantes à l'artémisinine et posséder un mécanisme d'action novateur. Il est aussi crucial de développer de nouvelles molécules ciblant à la fois les cycles asexué (hépatique et érythrocytaire) et sexué (gamétocytes) du parasite, notamment afin de bloquer la transmission du paludisme. Notre consortium a préalablement identifié une molécule chef de file en série thiénopyrimidinone, répondant à ces critères, agissant sur les stades érythrocytaire, hépatique et sexué de P. falciparum : la Gamhépathiopine (ou M1). Cette molécule originale, qui n'exerce pas son activité selon un mode d'action déjà décrit pour les antipaludiques actuellement sur le marché, présente des activités in vitro excellentes, y compris sur les parasites résistants à l'artémisinine. Ces résultats prometteurs sont toutefois tempérés par une métabolisation hépatique rapide et une faible solubilité aqueuse qui limitent l'activité de M1 in vivo. Dans ce contexte, notre projet propose de pharmacomoduler M1 afin d'optimiser ses propriétés physicochimiques et pharmacocinétiques et de potentialiser son activité in vivo. Le problème de la stabilité métabolique sera traité en modifiant les deux sites de métabolisation identifiés. D'autre part, la solubilité aqueuse sera améliorée par introduction de groupes polaires et/ou synthèse de pro-drogues hydrophiles. Un travail additionnel de pharmacomodulation est proposé afin d'identifier de nouveaux chefs de file antiplasmodiaux et d'en moduler la parenté structurale avec les bases puriques, dans l'hypothèse d'un mécanisme d'action reposant sur l'inhibition de kinases plasmodiales. Les nouvelles molécules seront évaluées in vitro sur les stades érythrocytaires (souches sensibles et résistantes) et pour leur cytotoxicité. Les composés les plus actifs seront étudiés 1) pour leur caractère mutagène 2) in vitro contre les stades hépatiques (P. yoelii, P. falciparum et P. vivax, et vis-à-vis de leur action sur les gamétocytes et leur capacité à bloquer la transmission du parasite à l'Anophèle (vecteur de la maladie)) puis 3) in vivo, après mise en forme galénique éventuelle dans des nanoémulsions, sur un modèle de souris soit infectées par P. yoelii soit humanisées et infectées par P. falciparum ou P. vivax afin de valider l'apport des modifications chimiques vis-à-vis des propriétés pharmacocinétiques et la conservation de l'activité multi-stade. La dernière partie du projet concerne enfin l'identification de la cible plasmodiale de M1, avec pour objectif l'identification de son mode d'action. Une première hypothèse basée sur la structure de M1 (analogue de purines) et sur les données récentes de la littérature consiste à postuler l'implication d'une kinase plasmodiale pour expliquer son activité. C'est pourquoi une étude de phospho-protéomique sera menée. En parallèle et dans le but d'étendre l'étude du mécanisme d'action de M1 à un panel de cibles potentielles qui ne soit pas limité à des kinases, un procédé de chromatographie d'affinité sera appliqué à M1 (immobilisé sur un support solide via un bras espaceur) afin de tenter d'isoler sa cible à partir d'un lysat plasmodial et de procéder à son identification par MALDI-TOF.