Accès aux hétérocycles azotés et oxygénés par des réactions multicomposants et par catalyse organométallique : étude des propriétés anti-angiogéniques par inhibition de la thymidine phosphorylase

Access to nitrogen- and oxygen-containing heterocycles by multicomponent reactions and organometallic catalysis : evaluation of the anti-angiogenic properties by inhibition of thymidine phosphorylase enzyme

• Auteur / Autrice : Alexis Bontemps
• Direction : Philippe Belmont, Sylviane Giorgi-Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synthèse et structure de molécules d'intérêt pharmacologique (Paris ; 1998-2018)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Dallemagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Dallemagne, Catherine Guillou, Jean-François Peyrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Guillou, Jean-François Peyrat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés hétérocycliques

Chimie organométallique

Antiangiogéniques

Néovascularisation

Mots clés libres

Thymidine phosphorylase

Angiogenèse tumorale

Anti-Angiogéniques

Synthèse "one-Pot"

Réactions multicomposants

Antitumoraux

Modélisation moléculaire

Chimie organométallique

Catalyse à l'argent

Réactions tandem d'addition/cyclisation

Nucléophiles carbonés

Thymidine phosphorylase

Tumor angiogenesis

Anti-Angiogenic

One-Pot synthesis

Multicomponent reactions

Antitumor compounds

Molecular modelling

Organometallic chemistry

Silver catalysis

Addition/cyclization reactions

Aromatic nucleophiles

Résumé

L'angiogenèse tumorale joue un rôle prépondérant dans la croissance et la dissémination des tumeurs solides. La thymidine phosphorylase (TPase) est une enzyme clé dans la mise en place de ce processus puisque sa surexpression, dans de nombreuses tumeurs solides, conduit à la libération de trois des principaux facteurs pro-angiogéniques (VEGF, MMP-1 et IL-8). Cette thèse s'inscrit dans un projet de recherche en chimie médicinale développé par notre équipe qui a trait à la conception rationnelle, la synthèse et l'évaluation biologique d'inhibiteurs de la TPase. Les structures des inhibiteurs de première génération étaient construites autour du motif pharmacophorique que représente le noyau pyrimidinedione du substrat naturel de l'enzyme, la thymidine. Plusieurs séries A, B et C avaient alors été développées, dans lesquelles ce noyau était combiné à un hétérocycle aromatique azoté par annélation ou par l'intermédiaire d'un espaceur de longueur variable afin de combler les poches présentes dans le site actif de l'enzyme autour du site de liaison de la thymidine. Des travaux préliminaires de docking dans le site actif de la TPase ont permis de mettre en évidence une spécificité des premiers inhibiteurs qui interagissent avec une large poche qui était jusqu'alors inexplorée par les inhibiteurs décrits dans la littérature. L'objectif de notre travail a été l'amélioration des composés de première génération et le développement de nouvelles séries D et E afin d'optimiser les interactions avec le site de fixation de la thymidine ainsi que celles établies avec les acides aminés de la poche mise en évidence lors des travaux préliminaires de modélisation moléculaire. D'un point de vue chimique, de nombreux dérivés ont ainsi été préparés en série pyrimidoquinoléine (série A), pyrroloquinoléine / pyrimidinedione (séries B et C), pyrimidopyridine-imide (série D) ou encore pyranoquinoléine et furoquinoléine (séries E). Cette grande diversité de structures a pu être obtenue en s'appuyant sur des méthodologies chimiques que nous développons au laboratoire, notamment des réactions monotopes multicomposants ainsi que des réactions tandem de cyclofonctionnalisation catalysées à l'argent. La mise au point des différentes synthèses nous a amenés à élaborer une voie d'accès aux pyrimidopyridine-imides sélectivement substituées. Nous avons également réalisé une étude méthodologique consacrée à une réaction tandem de cyclofonctionnalisation avec addition de nucléophiles carbonés, permettant d'accéder à une grande variété de structures pyranoquinoléines. D'un point de vue biologique, pour l'évaluation du pouvoir inhibiteur de nos composés vis-à-vis de la TPase, nous avons tout d'abord dû mettre au point un test enzymatique basé sur la détection UV à partir d'un protocole de la littérature. Un premier criblage a permis de détecter de bonnes activités pour plusieurs inhibiteurs au sein des différentes séries. Pour les deux molécules les plus actives, une étude mécanistique a été effectuée. Celle-ci a confirmé que les inhibiteurs de la série A sont bien compétitifs vis-à-vis de la thymidine, et a mis en évidence un mécanisme d'inhibition différent pour certaines molécules des séries E. Enfin, les résultats de l'évaluation biologique ont été corroborés par une nouvelle étude de modélisation moléculaire.

Angiogenesis is a prerequisite for tumor progression, invasion and metastasis. Thymidine phosphorylase (TPase) plays a prominent role in this process since it has been shown to be upregulated in many types of solid tumors and to promote the production of three major pro-angiogenic factors (VEGF, MMP-1 and IL-8). This thesis is part of a medicinal chemistry research project based on the rational conception, the synthesis and the biological evaluation of TPase inhibitors. The scaffolds of the first generation inhibitors were built around the pharmacophoric pyrimidinedione core of the natural substrate thymidine. Several series A, B and C were then devised by combining this heteroaromatic ring with a nitrogen-containing aromatic heterocycle, by ring fusion or through various linkers. The aim was to fill, in the active site of TPase, the pockets surrounding the thymidine binding site. A preliminary docking study highlighted a specific interaction between these inhibitors and a wide pocket which had not been explored yet by the other inhibitors reported in the literature. Our work aimed at enhancing the inhibitors activity of the first generation and to develop novel D and E series, with optimized interactions in the thymidine binding site, along with the residues belonging to the pocket identified during the preliminary molecular modelling study. From a chemical point of view, many derivatives were prepared with scaffolds such as pyrimidoquinoline (series A), pyrroloquinoline / pyrimidinedione (series B and C), pyrimidopyridine-imide (series D), furoquinoline and pyranoquinoline (series E). This great variety of structures was obtained thanks to one-pot multicomponent reactions and silver-catalyzed cyclofunctionalizations that are mastered in our laboratory. While we were devising these syntheses, an access to selectively-substituted pyrimidopyridine-imides was achieved. Moreover, we carried out a methodology research dedicated to a tandem cyclofunctionalization reaction, allowing us to introduce aromatic nucleophiles on our pyranoquinoline structures. From a biological point of view, we had to set up a UV-based enzymatic test from a protocol of the literature, to assess the inhibitory potential of our compounds towards TPase. After a first screening, several hits were revealed among the different series of inhibitors. For the two most active molecules, a mechanistic study was performed. It confirmed that the compounds of series A were competitive inhibitors towards thymidine, but also revealed that some of the inhibitors of series E had a different mechanism of inhibition. Lastly, a new molecular modelling study supported the results of the biological evaluation.