Synthèse in cellulo d'agents antitumoraux par cyclisation bioorthogonale

par Hichem Maslah

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Raphaël Labruère.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) , Chimie Bioorganique et Bioinorganique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les différentes thérapies utilisées contre le cancer présentent souvent une toxicité envers les cellules saines proche de celle observée sur les cellules cancéreuses. Ainsi, des prodrogues antitumorales sont utilisées car leur activité est temporairement masquée et ces molécules fournissent un médicament après une réaction enzymatique ou chimique réalisée par la cellule cancéreuse. Ces assemblages « groupement temporaire/médicament masqué » sont donc spécifiquement dissociés au site tumoral. Afin de cibler les cellules hypoxiques situées au sein d'une tumeur solide, une stratégie impliquant un motif nitro-aryle lié de manière covalente à des médicaments cytotoxiques a été développée. En effet, les groupes nitro sont réduits en amines par les cellules hypoxiques et cette réaction a été utilisée pour convertir des prodrogues en médicaments par auto-immolation. Cette stratégie s'est avérée efficace avec une prodrogue de moutarde à l'azote. Un inconvénient majeur dans la stratégie de promédicament est souvent l'incapacité de la partie temporaire à réduire significativement l'activité pharmacologique du médicament original. De plus, après activation au site de la tumeur, le groupement temporaire (petite molécule organique) peut interférer avec le métabolisme des cellules cancéreuses conduisant à diminuer l'action du médicament. Nous souhaitons ainsi développer une nouvelle stratégie dans la conception de prodrogues: (i) le groupement temporaire organique est supprimé et une fonction réactive masquée est insérée ; (ii) le promédicament proposé n'est plus un médicament lié à un fragment encombrant mais un précurseur synthétique du médicament qui nécessitera une étape de cyclisation in vivo pour produire le médicament final. La 4-azapodophyllotoxine, analogue de la podophyllotoxine, a été particulièrement bien étudié. C'est un agent cytotoxique puissant mais trop toxique pour être administré directement au patient ; c'est donc un bon candidat pour explorer notre stratégie. Dans ce contexte, nous allons préparer un précurseur de 4-azapodophyllotoxine à cycle ouvert qui serait activé sous hypoxie. L'étape finale de formation de l'analogue azoté de la podophyllotoxine serait alors possible en conditions physiologiques via une cyclisation intramoléculaire spontanée due à une entropie favorable. Un contrôle double de la sélectivité est également envisagé en liant temporairement le promédicament à une polyamine telle que la spermine, un substrat commun pour le système de transport de polyamine qui est largement surexprimé dans les cellules cancéreuses, en particulier dans les cellules hypoxiques.

  • Titre traduit

    In-cell synthesis of antitumor drugs through bioorthogonal cyclization


  • Résumé

    Cancer is commonly described as the uncontrolled growth of abnormal cells. These tumor cells can eventually invade other parts of the body and spread to different organs. Almost any organ of the body can be affected by cancer, which increases the difficulty of finding specific strategies for their treatment, due to the numerous anatomic and molecular subtypes. According to the WHO, cancer is the second cause of death globally: almost 9 million death in 2015, and the number of new cases is estimated to growth by about 70% over the next 20 years. Most of the currently employed therapies against cancer are almost as toxic for the normal cells as for the tumor cells. Thus, there is a urgent need for the development of new and specific chemotherapies, capable of exploiting the differences between normal and tumor cells to increase the potency and decrease the dose and side effects. During the last decades, the prodrug strategy has emerged, involving the development of activitymasked molecules designed for being rapidly activated through enzymatic or chemical reactions inside the tumors (Scheme 1). This approach ideally ensures a high selectivity against targets and lowtoxicity, since drugs are liberated specifically at the tumor area, generally by enzymes strongly overexpressed at the tumor, by reactive oxygen species (ROS) or by hypoxia. Furthermore, the prodrug tactic remains faster and less expensive than the development of novel therapeutic agents with appropriates drug-like characteristics. Herein, we propose the synthesis of a novel type of prodrug, designed to be specifically activated under the tumor conditions. One major drawbacks in prodrug strategy is often the poor ability of the promoiety to clearly impair the pharmacological activity of the expected masked drug (e.g. the prodrug is binding as tight as the free drug to the biological target). In addition, after activation at the tumor site, the released promoiety (usually a small organic molecule) may interfere with the cancer cell metabolism leading to decrease the drug action. In this context, we devised a new concept in the prodrug design: (i) no organic branched promoiety is used but masked reactive functions are rather inserted; (ii) the proposed prodrug is not a drug linked to a hindered moiety but a synthetic precursor of the drug that will need an in vivo cyclisation step to produce the final drug. Each prodrug will be made of linear scaffolds, flexible precursors of the final drug, in order to strongly reduce the possibility of prodrug potency in comparison with the free drug. These new prodrugs will contain one or two different masked functions, selectively activated into reactive function (i.e. nitro group into amine under hypoxic conditions or boronate group into alcohol due to ROS overproduction) able to generate the drug by cyclization in the tumor environment. Figure 1 shows the schematic drug preparation from its prodrug through a bioorthogonal cyclization reaction.