BIOLOGIE FONDAMENTALE

LES MOLÉCULES DU VIVANT

PREMIÈRE PARTIE : DE L’ATOME À LA MOLÉCULE, DE LA MOLÉCULE AU MÉDICAMENT

DEUXIÈME PARTIE : LES BIOMOLÉCULES (PROTÉINES, LIPIDES, GLUCIDES…)

INTERVENANTS : Ph. KAROYAN, J. MASLIAH, D. RAINTEAU, J-P .TRESCA

Professeur Philippe KAROYANENS, 24 RUE LHOMOND

PARIS

DE L’ATOME À LA MOLÉCULE

DE LA MOLÉCULE AU MÉDICAMENT

PHARMACOCHIMIE/CONCEPTION DE MÉDICAMENTS

HISTOIRE DE MÉDICAMENTS : Évolution des stratégies de découverte

de molécules actives.Du Hasard au Rationnel.

Apport de la chimie combinatoire.

QU’EST CE QU’UN MÉDICAMENT?

N’importe quelle molécule de petite taille (PM 100 à 1000), qui, une foisintroduite dans l’organisme, modifie la fonction de celui-ci par le biaisd’interactions se produisant à un niveau moléculaire.

l’article L511 (23/09/1967) du Code de Santé Publique définit unmédicament comme toutes substances ou composition présentéecomme possédant des propriétés préventives ou curatives à l’égard desmaladies humaines ou animales.

D’Où PROVIENNENT LES MÉDICAMENTS?

Succès historique

Biodiversité

Patrimoine :source inépuisable intéressante

Diversité Structurale

Bio-disponibilité

plantes

insectes

Organismes marins

Substances naturelles

250000 espèces, 10%étudiés

10 000 000 d’espècespour la macrofaune

microorganismes

1%étudiés, 107 espèces

La maka

D’Où PROVIENNENT LES MÉDICAMENTS?

HISTOIRE

-3200: Chine : Fu-Xi, Huang-Di, Shen nung : livre d’herbes, le pen Ts’ao king (神农本草经)

-2100: Sumer (sud de l’Irak actuelle) tablettes de « recettes ».

-1550 : Égypte papyrus Ebers de 800 prescriptions (avec incantations)

100: Grèce Dioscorides remet en question la raison du fonctionnement des médicaments.Traité en 5 volumes « De materia Medica » (600 plantes, 35 produits d’origine animale, 90minéraux, dont plusieurs encore utiles: belladone, acétate de Pb, opium, soufre…)

129-200: Claude Galien : médecin grec père de la pharmacie (200/500 écrits).

Xème : Perse (Iran) Rhazes: pilules d’opium contre la toux, la douleurs et les désordresmentaux. L’opium contient de la codéine contre la toux et de la morphine contre la douleur

1493-1541 : Theophratus von Hohenheim (Paracelse, Suisse, Homéopathie).

1633: le moine Calancha accompagne les conquistadores espagnols; il rapporte l’écorcede quinquina que les indiens utilisent contre les coups de froid et la fièvre. L’extrait dequinquina contient la quinine qui permet de lutter contre la malaria.

19ème siècle : naissance de la chimie médicinale moderne : Perkin essaye de synthétiserla quinine (1856) et découvre un colorant : la mauvéine.

CHIMIE MÉDICINALE MODERNE ET HASARD DES DÉCOUVERTES

aniline

Goudron de houille Mauvéine (1856)

William Henry Perkin(1838-1907)Enjeu : colonies

H2SO4

HNO3

NO2Fe

CH3CO2H

NH2

K2Cr2O7Mauvéine

(1) (2) (3)(4)

Du goudron au prix de l’or!

Quinine : C20H24N2O2

Allyltoluidine : C10H13N

2 * allyltoluidine + 2 oxygènes = quinine + 2 H

2 C10H13N + 3/2 O2 → C20H24N2O2 + H2O

Structures chimiquesInconnues à l’époque

1860 : NAISSANCE DE L’INDUSTRIE DES COLORANTS DE SYNTHÈSE

• 1858. Fuchsine (magenta) : utilisations frauduleuses (vins)

• 1858. Colorants azoïques • 1869. Alizarine (le colorant naturel, la

garance, est utilisé par l’armée française depuis 1826)

NH2CH3

NH2 NH2

CH3CH3

+

NN

Joueur de fifre, E. Manet, 1866 (Musée

d'Orsay)

O

O

OH

OH

O

O

O

O

OSO3HH2SO4

KOH

Chauffage Chauffage

[Ox]

1869

anthracène

alizarine

Adolf von Baeyer(1835-1917)

AUTRE CHAMP D’APPLICATION DE CES COLORANTS

Paul Ehrlich(1855-1915)

Biochimiste allemandAssistant de Robert Koch

Il découvre différentsColorants :

Idée de Ehrlich : Coloration sélective

EtFIXATION

des micro-organismes

• 1891 : Bleu de méthylène : malaria

• 1904 : Rouge trypan : maladie du sommeil

N

NH2NaO3S

NaO3S

N

NaO3S

NN

NH2 SO3Na

SO3Na

S+

N

N(CH3)2(CH3)2N

Prontosil Rubrum, IG Farben, 1929Sérendipité = hasard heureux!

Pas d’activité « in vitro »Domagk le teste en injection

sur sa fille, atteinte de septicémieNaissance des sulfamides

Premiers agents antibactériens(problème lié à toxicité)

Notion différente d’antibiotique

Salvarsan ou 606, Ehrlich, 1908Bactéricide (syphilis, fléau du 19ème)Analogue des azoïques inactifs.

NN

As

AsAsAs

AsAs

OH

OH

NH2

NH2OH

NH2

OH

NH2

OH

NH2

OH

NH2

AsAs

OH

NH2NH2

OH

Structure RX (1961)

NN

NH2

SO2NH2NH2

AUTRE CHAMP D’APPLICATION DE CES COLORANTS

SUBSTANCES NATURELLES ET HASARD DES DÉCOUVERTES

Penicillines (actifs face aux staphyloccoques)

Propriété d’un champignon découverte par A.Flemming en 1928

Structure élucidée en 1939 par Chain et Florey.

Prix nobel en 1945.

Premiers cas de résistance apparus en 1947.

obtenu par modification chimique d’un

antibiotique naturel moins actif

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β-lactames

Tétracyclines EnrofloxacineUsage vétérinaire

codéïne Chirurgie digestive

méthylation

-Pérou et Bolivie-Isolé par Niemman en 1859-Anesthésique chirurgie oculaire-John Pemberton l’utilise dans leCoca-Cola jusqu’en 1906.

analgésique

SUBSTANCES NATURELLES ET HASARD DES DÉCOUVERTES

200 morts par overdose en 1891

Cocaïne retirée en 1906

Chine

L’aspirine est une prodrogue!

Écorce (Assyrie, Egypte)Isolé par Buchner en 1828Synthèse : Kolbe (1859)Irritant pour tube digestif

Anti-pyrétiqueAntalgique

Anti-inflamatoireMécanisme d’action

SUBSTANCES NATURELLES ET HASARD DES DÉCOUVERTES

Le pharmacophore de ces AINS est le benzène

Ibuprofen (1964) Ketoprofen (1968)

Vioxx (ou rofécoxib, 1999-2004, Merck)Moins d’effets indésirables gastriquesdécès de 28000 personnes de 1999 à 2004Suite à des infarctus du myocarde.

(paracetamol)

CHIMIE MÉDICINALE MODERNE

CelebrexPfizer

« me too »

AMM : 24/05/2000

Chloroquine (+DDT) : forte baisse du paludisme

1960 : la paludisme est enrayé!

ArtémisineExtrait en 1972

pas de résistancedécrites à ce jour

développé par Sanofi-Aventis et Palumeden cours d’essais cliniques

Armoise annuelleMédecine chinoise

ANTIPALUDÉENS Paludisme : 106 morts/an90% en Afrique

Isolé par Caventous et Pelletieren 1820, synthèse en 1944

SUBSTANCES NATURELLES ET SYNTHÈSE

PA1103 : SAR116242

Compréhension du mode d’action

Les progrès de la chimie permettent de réaliserdans des conditions économiques acceptablesles synthèses totales des médicaments mais

ce n’est pas toujours le cas…

EXEMPLE : LES TAXANES

Taxol ou paclitaxel

Commercialisé par

Bristol-Myers-Squibb

Taxotère ou docétaxel

Commercialisé par Sanofi-Aventis

Ex-Aventisex-Rhone-Poulenc Rorer

TAXOL

isolé en 1960 à partir d’écorce de taxus brevifolia1971 : structure établie par RX

Activité anticancéreuse +1964 chez l’animal/1971 chez l’Homme (Suzan

Horowitz)

Ecorce (1g pour 10kg d’écorces sèches),Source nonrenouvelable, taxol non breveté

Synthèse non envisageable à l’époque

Wall et Wani

-Molécule de taille importante

-Nombreux carbones asymétriques problème de sélection des énantiomères

-Nombreuses étapes

-3 procédés de synthèse (pour le taxol):» Holton»Nicolaou»Danishefsky

SYNTHÈSE TOTALE TRÈS COMPLEXE

Procédé Holton, J.Am.Chem.Soc. (1994) 116, 1597

Procédé Nicolaou, J.Am.Chem.Soc. (1994) 116, 1591

Procédé Danishefsky, J.Am.Chem.Soc. (1996) 118, 2843

0,07%

2,7%

Synthèse linéaire

Synthèse convergente

-Années 1980:-CNRS– Rhône Poulenc découverte fortuite de la 10-Déacetyl Baccatine III (10-DAB):

-à partir des aiguilles de Taxus baccata - hémisynthèse du TAXOTERE et du TAXOL

O

OOH

HO O

O

O

OH

O-GPO-GP

Pr. Pierre Potier22-08-1934/06-02-2006

TAXOTÈRE

OO

NH

O

OH

O

OO

O

OH

OOH

HO O

O

O

Chaîne latéraleindispensable à la fixation sur la tubuline

Configurations 2’R, 3’S importantes pour l’activité

Squelette Taxane :indispensable à l’activité

Oxétane :Ouverture de cycle

20 fois moins d’activité

Benzoyloxy indispensable :Débenzoylation 120 fois moins d’activité

Acétylation possibleprodrug

Paclitaxel DocétaxelTaxus brevifolia Taxus baccata

Ecorce (1g pour 10kg d’écorces sèches)

Source non renouvelable

Aiguilles (1g pour 5kg d’aiguilles)

Source renouvelable

Activité anticancéreusein vitro +

Activité anticancéreuse in vitro +++

EMPECHEE

MITOSE INTERROMPUE

FAVORISEE

MORT DE LA CELLULE

MÉCANISME D’ACTION

CIBLE DES TAXANES : PROTÉINE

166 : taxol : 290 millions de dollars à BMS, source : forbes magazine

FACE À LA SÉRENDIPITÉ…

LA CONCEPTION RATIONNELLE DES MÉDICAMENTS

QUESTION : CONDITION NÉCESSAIRE?

LA GRIPPEET

L’ALTERNATIVE AU VACCIN

LA GRIPPE, UNE MALADIE BÉNIGNE?

Pandémie de 1918-19, la Grippe« Espagnole » 30 millions de morts (H1N1).

Pandémie de 1957-58: Grippe asiatique(H2N2), 1 million de mort.

Pandémie de 1968-69: Grippe de Hong-kong,(H3N2), 800 000 morts.

Alertes grippes aviaires : 1977, 1997 (H5N1),1999, 2003(H5N1), 2004, 2005.

Egon Schiele

PANDÉMIE TOUS LES 10 À 40 ANS

Drug Discov Today. 1998 ; 3 : 448-456

Virus de la grippeVue schématique et microscopie

électroniqueHémagglutinine (H)

Neuraminidase (N)

Spicules : glycoprotéines H et N

bicouche lipidique

ANR (7 ou 8 fragments)En plus des nucléoprotéines, polymérase, protéines matricielles

ASSA

HemagglutinineRécepteur qui reconnaît

L’acide sialique pour initierL’infection

Cellule HôteEndocytosis

Membranefusion andrelease ofviral particle Replication

AS

AS

New virusesassemble atmembrane

AS

AS

CYCLE DU VIRUS DE LA GRIPPE

AS =

Neuraminidaseest un enzyme

qui clive l’acide sialiqueet libère les nouveaux virions

Hemagglutinine et acide sialique (vert)

Neuraminidase + DANA (rouge)

INHIBITEURS DE NEURAMINIDASE

R = H, acide sialique DANA : Déhydro-N-Ac-Neuraminic AcidKi = 1000 nM

Poche pouvantaccueillir une

charge positive

Analogue de l’état de transition

COMMENT UN VIRUS ANIMAL SE TRANSMET À L’HOMME?

Co-infection

Recombinaisonhumanisation

Qu’est-ce qui a changé dans l’approche de recherche de nouveaux médicaments?

Les médicaments sont découverts

- par « hasard »,

- par conception rationnelle (connaissance de la cible),

- par screening de cibles potentielles (protéines : récepteur, enzymes, canaux…).

La véritable révolution est là : depuis 20 ans, l’hommedécouvre son génome…

LA CONNAISSANCE DES GÈNES GRÂCE À LA BM PERMET DE MULTIPLIER LES CIBLES POTENTIELLES

APPORT DE LA GÉNOMIQUEUtilisation des gènes pour produire les cibles

gènes

Cibles: protéines

Test « in vitro »:Moins complexe que « in vivo »!

Recherche de composés pouvant interagir avec la cible dans une chimiothèque naissance du criblage haut débit

Identification d’unhit

Stockage dans des plaques de microtitration

CHIMIOTHÈQUE = « LIBRAIRY » = COLLECTION DE MOLÉCULES

Qu’est-ce que le criblage haut débit ?

HTS possible grâce à l’automatisation des tests

• Automatisation / Miniaturisation

• Criblage à haut débit : x 1M / An

1985

ÉVOLUTION DU HTS

ÉVOLUTION DU HTS

ROBOTISATION DE LA CHIMIE

• Synthèses phase solide et phase liquide

• 20 Réactions en parallèle

• - 40°C < Temp < 140°C

• Atmosphère inerte (N2)

Tube Téflon :5 et 10 ml.

Ouverture sup. :Introduction de solides et liquides.Prise d'échantillon(CCM, HPLC, RMN)

Arrivée de Gaz :Azote : Gaz inerteet filtration.

Barreau aimanté :Agitation verticale.

Frité Téflon :Filtration.

RÉGULATION DE LAPRESSION ARTÉRIELLE

CONTROLE ANGIOTENSINE II

Effet de l'endothélium sur la vasoconstriction induite par l'angiotensine II dans une artère mésentérique de résistance

-Captopril : - 1er inhibiteur de l’ACE

- IC50 = 23 nM

- développé par Squibb (BMS) en 1975Brevet déposé en 1976- 1996 fin du brevet

-succès du structure-based-design :

Captopril développé à partir d’un peptide

isolé par Vane du venin d’une vipère brésilienne

Ce peptide est un inhibiteur de l’ACE.

Problèmes du Captopril : effets secondaires (perte

du goût, démangeaison…)

Sir John Vane

J. Am. Chem. Soc, 2003, 14672.

EXEMPLE DE PETITES MOLÉCULES ACTIVES

Source : pharmabuisness.com et pfizer320 millions de consommateur potentiel, 15 à 23 euros la pillule sur le net!!!!

FINALEMENT, C’EST QU’UNE HISTOIRE DE SOUS

GMPc Sildenafil (viagra)

table 1PDE isoenzyme/substrate

Tissue distribution Possible functional signifie-cance of PDE

PDE 1 / cGMP cAMP Brain, heart, skeletal muscles, liver,vascular muscles, visceral muscles

Vascular muscularweakness, taste, olfaction

PDE 2 / cGMP cAMP Adrenal cortex, corpus caver-nosum,heart, visceral muscles, brain,skeletal muscles

Olfaction,adrenocorticosteroidproduction

PDE 3 / cGMP cAMP Corpus cavernosum, heart, vascularand visceral muscles, blood platelets,liver, adipose tissue, kidney

Myocardial contractility;insulin secretion; lipolysis,glucose production,platelet aggregation

PDE 4 / cAMP Brain, testes, thyroid gland, kidney,lung, mast cells, skeletal muscles,vascular and visceral muscles

Inflammation; vascular andviscéral muscle tone;depression, thyroid glandsecretion, reproduction

PDE 5 / cGMP Corpus cavernosum, vascular andvisceral muscles, blood platelets

Erection; smooth muscletone platelet aggregation

PDE 6 / cGMP Retina (cones, rods) Signal transduction invision

PDE 7 / cAMP Skeletal muscles, heart, lymphocytes T-cell activation; skeletalmuscles; metabolism

PDE 8 / cAMP Widespread; e.g. testes, ovaries,bowel

T-cell activation

PDE 9 / cGMP Widespread; most strongly expressedin the spl een, small intestine andbrain

?

PDE 10 / cGMP cAMP Brain (putamen and caudal nerve),testes, thyroid gland

Dopaminesignaltransmission

PDE 11 / cGMP cAMP Skeletal muscles, heart, vascular ?

VIAGRA (pfizer)SILDENAFILPDE 5 = 3,9 nMPDE 6 = 38 nM

LEVITRA (GSK-BAYER)VARDENAFILPDE 5 = 0,7 nMPDE 6 = 157 nM

CIALIS (ELI Lilly)TADALAFILPDE 5 = 5 nMPDE 6 = 5000 nMActif = 25-36 heuresPillule du WE

LA CHIMIE TIENT-ELLE SES PROMESSES EN PERMETTANT

LA DÉCOUVERTE DE NOUVEAUX MÉDICAMENTS?

-La chimie ne résout pas tous les problèmes

« l’activité ne suffit pas pour faire d’un hit un médicament. Le composé doit :

-être soluble dans l’eau

-être capable de traverser une membrane lipidique

-stable

-biodisponible

-pur

-non toxique

-druglike (pas polymorphe)

Et les médicaments qui arrivent sur le marché aujourd’hui reflètent l’état de lascience d’il y a 10 ans!

Coût total : 1 milliard d’euros!

AUJOURD’HUI : SCREENING VIRTUEL IN SILICO!