β-Hairpin peptidomimetics as inhibitors of hIAPP amyloid protein aggregation : design, synthesis and evaluation

par Jacopo Lesma

Thèse de doctorat en Chimie thérapeutique

Sous la direction de Sandrine Ongeri et de Julia Kaffy.

Le président du jury était Abdallah Hamzé.

Le jury était composé de Sophie Faure, Thierry Lequeux, Philippe Karoyan, Maria Luisa Gelmi.

Les rapporteurs étaient Sophie Faure, Thierry Lequeux.

  • Titre traduit

    Peptidomimétiques structurés en β-hairpin inhibiteurs de l’agrégation de la protéine amyloïde hIAPP : conception, synthèse, évaluation


  • Résumé

    Le diabète de type 2 (DT2), qui compte plus de 400 millions de cas dans le monde, représente 90 % du nombre total de cas de diabète. T2D est une maladie dégénérative associée à la résistance à l’insuline et à la mort des β-cellules pancréatiques liées aux dépôts de la protéine amyloïde hIAPP (également appelée amyline), qui sont observés dans le pancréas de plus de 95 % des patients atteints de DT2. Les traitements actuellement disponibles sont symptomatiques et caractérisés soit par des effets secondaires significatifs, soit par un faible impact sur l’incidence des pathologies associées et la réduction de la mortalité. Ainsi, pour trouver un traitement étiologique contre DT2, le ciblage de hIAPP est devenu une stratégie prometteuse à explorer. À ce jour, peu de classes de composés ont été proposées pour inhiber le processus d’agrégation de hIAPP. Cependant, à notre connaissance, seuls de très rares exemples de β-hairpin acycliques ont été décrits. Puisque l’agrégation hIAPP est un processus très complexe et dynamique, nous avons émis l’hypothèse que desβ-hairpins flexibles pourraient mieux s’adapter aux différentes conformations de hIAPP formées au cours du processus d’agrégation. Notre conception a été basée sur différents β-turn flexibles constitué d’un motif pipéridino-pyrrolidine lié à deux bras différents inspirés de la séquence primaire du peptide hIAPP, avec un élément d’auto-reconnaissance peptidique (SRE) dérivé de la séquence amyloïdogène de hIAPP, et faisant face à une séquence de blocage peptidique ou peptidomimétique. Afin de confirmer la conformation en β-hairpin de nos inhibiteurs, la conformation de nos composés a été étudiée par RMN et dans quelques cas par une dynamique moléculaire. Ensuite, leur capacité à interférer avec le processus d’agrégation de hIAPP a été principalement évaluée par la spectroscopie de fluorescence à la thioflavine-T. Les composés les plus prometteurs de la série ont ensuite été étudiés par d’autres essais biophysiques comme la microscopie électronique à transmission (TEM), l’électrophorèse capillaire (CE) et l’IMS-MS. Les meilleurs composés de la série ont ensuite été étudiés pour déterminer leur capacité à réduire la toxicité du hIAPP sur les cellules pancréatiques INS-1 du rat.Ayant prouvé la possibilité de moduler le processus d’agrégation de hIAPP par des petits mimes de β-hairpins acycliques portant à la fois des bras peptidiques et peptidomimétiques, nous avons ensuite concentré notre attention sur le développement de β-hairpins fluorés qui, jusqu’à présent, n’ont jamais été explorés ni comme inhibiteurs d’agrégation hIAPP, ni, à notre connaissance, plus largement en chimie médicinale. La préparation de ces analogues fluorés avait le double objectif d’étudier comment le fluor, avec ses caractéristiques uniques, pouvait influencer à la fois l’activité et la conformation de nos inhibiteurs. En conclusion, les travaux présentés dans cette thèse fournissent des informations précieuses pour le développement de nouveaux mimes de β-hairpins acycliques comme modulateurs de hIAPP et potentiellement comme nouveaux outils fluorés pour approfondir son processus d’agrégation.


  • Résumé

    Type 2 Diabetes (T2D) with over 400 million cases worldwide represents 90% of total diabetes cases. T2D is a degenerative disease associated with insulin resistance and pancreatic β-cells death linked to deposits of the amyloid protein hIAPP (also called amylin), that are observed in the pancreas of over 95% of the T2D patients. The treatments currently available are symptomatic and characterized either by significant side effects or low impact on the incidence of related pathologies and mortality reduction. Thus, to find an etiological treatment for T2D, targeting hIAPP has become a promising strategy to explore. To date, few classes of compounds have been proposed to inhibit hIAPP aggregation process. However, to the best of our knowledge, only very scarce examples of acyclic β-hairpin have been described. Since hIAPP aggregation is a highly complex and dynamic process, we hypothesized that flexible β-hairpins could better adapt to different hIAPP conformations formed during the aggregation process. Our design was based on flexible piperidine pyrrolidine β-turn inducers linked to two different arms inspired by the primary sequence of hIAPP peptide, with a peptidic self-recognition element (SRE) derived from the hIAPP amyloidogenic sequence facing to a peptidic or peptidomimetic blocking sequence. In order to confirm β-hairpin conformation of our inhibitors, our compounds were conformationally studied by NMR and in few cases by molecular dynamics. Then, their ability to interfere with hIAPP aggregation process was primarily evaluated by thioflavin-T fluorescence spectroscopy. The most promising compounds of the series were then investigated by other biophysical assays such as transmission electron microscopy (TEM), capillary electrophoresis (CE) and IMS-MS. The best compounds of the series were then studied to determine their ability to reduce hIAPP toxicity on rat INS-1 pancreatic cells.Having proved the possibility to modulate hIAPP aggregation process employing small acyclic β-hairpin mimics bearing both peptidic and peptidomimetic arms, we then focused our attention on the development of fluorinated hairpin peptidomimetics that, until now, have never been explored either as hIAPP aggregation inhibitors, nor, to our knowledge, more broadly in medicinal chemistry. The preparation of these fluorinated analogues had the double scope to investigate how fluorine, with its unique characteristics, could influence both the activity and the conformations of our inhibitors. In conclusion, the work presented in this thesis provides valuable insight for the development of new acyclic β-hairpin mimics as modulators of hIAPP and potentially new fluorinated tools to further investigate its aggregation process.



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