Synthèse et étude de 2-hétéroaryl-4-quinolones à activité anti-virulence chez Pseudomonas aeruginosa

Synthesis and study of 2-heteroaryl-4-quinolones as anti-virulence agents to tackle Pseudomonas aeruginosa

• Auteur / Autrice : Marine Duplantier
• Direction : Pascal Sonnet, Elodie Lohou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie thérapeutique
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agents infectieux, résistance et chimiothérapie (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Jean Guillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Jouenne, Nicolas Taudon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Guillon, Valérie Collot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux antibiotiques

Bactéries

Mots clés libres

Antibiorésistance

Pseudomonas aeruginosa

Stratégie anti-Virulence

Couplages palladocatalysés

2-Hétéroaryl-4-Quinolones

Quorum sensing

Anti-Virulence strategy

Palladocatalyzed coupling reactions

Résumé

Au cours des dernières décennies, le mésusage des antibiotiques, associé à de trop rares découvertes de molécules actives, a engendré l'émergence de résistances notamment chez les bactéries ESKAPEE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter spp. et Escherichia coli). Mes travaux de thèse, à l'interface entre la chimie et la biologie, portent sur la synthèse et l'étude de 2 hétéroaryl-4-quinolones comme agents anti-virulence pour lutter contre P. aeruginosa, une bactérie à Gram-négatif, qui constitue une menace particulièrement préoccupante pour la santé publique. En effet, ce pathogène multi-résistant est responsable de nombreuses infections nosocomiales recensées à l'échelle mondiale. Afin de contourner le phénomène d'antibiorésistance, une nouvelle stratégie thérapeutique d'intérêt, basée sur la conception d'agents anti-virulence, a récemment émergé. Elle vise à atténuer la pathogénicité des micro-organismes sans affecter leur croissance. Lors du processus d'infection, les bactéries pathogènes coopèrent entre-elles pour infecter l'hôte via la production de facteurs de virulence (biofilms, exotoxines, …) assurant la colonisation tissulaire. Les pathogènes ont développé des systèmes de communication, désignés sous le terme de ''Quorum Sensing'' (QS) permettant cette collaboration. Chez P. aeruginosa, un des trois circuits du QS nommé ''pqs'', repose sur l'activation du régulateur de transcription PqsR par deux molécules de signal de structure 2-alkyl-4-quinolone : le ''Pseudomonas quinolone signal'' (PQS) et son précurseur 2-heptyl-4(1H)-quinolone (HHQ). Ces deux auto-inducteurs contrôlent notamment l'expression de la pyocyanine, principal facteur de virulence de P. aeruginosa, en réponse aux facteurs environnementaux. Nous avons conçu, synthétisé et étudié une nouvelle famille de 2 hétéroaryl 4 quinolones, à la fois analogues des molécules de signal PQS et HHQ et d'inhibiteurs du QS de structure hybride bi aromatique. Trois séries ont ainsi été définies se différenciant par la nature de la liaison entre les deux noyaux hétérocycliques : i) liaison C-C (série I), ii) espaceur amine (série II) et iii) espaceur pipérazine (série III). Onze hybrides indazole-quinolone ont été obtenus via divers couplages palladocatalysés. Une étude in silico de leurs propriétés physicochimiques a permis de déterminer le profil biopharmaceutique de nos composés et ainsi d'anticiper notamment leur pénétration à travers les membranes qui s'avère plus difficile chez P. aeruginosa. L'évaluation biologique des hybrides bi aromatiques synthétisés du point de vue de leurs activités antibactérienne intrinsèque chez diverses bactéries ESKAPEE, anti-virulence (anti-biofilm et anti-pyocyanine) et anti-QS (étude métabolomique) chez P. aeruginosa, mais aussi de leur cytotoxicité sur des cellules eucaryotes a également été menée. Enfin, une étude de modélisation moléculaire destinée à étayer l'hypothèse d'une fixation de nos hybrides dans la poche d'auto-induction du facteur de transcription PqsR a été réalisée. Ces travaux ont abouti à la découverte d'un pharmacophore bi aromatique d'intérêt pour le développement d'agents anti-virulence

Over the last decades, massive misuse of antibiotics and a lack of new active molecules prompted the emergence of resistances in many micro-organisms such as ESKAPEE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter spp. et Escherichia coli) pathogens. My thesis, in the interface between chemistry and biology, focuses on the synthesis and study of 2-heteroaryl-4-quinolones as anti-virulence agents to tackle Pseudomonas aeruginosa, a Gram-negative bacterium that constitutes a serious threat for public health. This multi-resistant pathogen is responsible of various worldwide nosocomial infections. The development of anti-virulence agents targeting bacteria pathogenicity without affecting their growth seems to be a new interesting therapeutic strategy to circumvent antibioresistance. During the infection process, pathogenic bacteria cooperate with each other to infect the host via the production of virulence factors (biofilms, exotoxins, ...) ensuring tissue colonization. In order to coordinate their behavior, bacteria use the Quorum Sensing (QS), referring to their communication systems. In P. aeruginosa, one of the three QS circuits pqs, relies on the activation of the transcriptional regulator PqsR by two 2 alkyl-4-quinolone signal molecules: the ''Pseudomonas quinolone signal'' (PQS) and its precursor, the 2 heptyl-4(1H)-quinolone (HHQ). These two auto-inducers regulate, in response to environmental conditions, the expression of pyocyanin that is the main virulence factor of P. aeruginosa. We have designed, synthesized and studied a new 2 heteroaryl 4 quinolone family as analogues of PQS and HHQ and bi aromatic QS inhibitor hybrids. Three series of 2-heteroaryl-4-quinolones that differ by the nature of the linker between the two heterocycle building blocks have been defined. Those include derivatives possessing i) a C-C bond between the two aromatic fragments (series I), ii) an amino or iii) a piperazine spacer. Eleven indazole-quinolone hybrids have been obtained via different palladocatalyzed coupling reactions. With the great impermeability of Gram-negative bacteria cell envelop in mind, especially in P. aeruginosa, an in silico study of their physicochemical properties was performed to analyse their drugability. The biological evaluation of these bi-aromatic hybrids was carried out in terms of their antibacterial activity on different ESKAPEE pathogens, anti-virulence (anti-biofilm and pyocyanin activities) and anti-QS properties on P. aeruginosa, as well as their cytotoxicity in a human hepatoma cell line. Finally, a molecular docking study was performed to support the hypothesis of a binding of our compounds in the auto-induction site of the transcription factor PqsR. This work led to the discovery of an interesting bi-aromatic pharmacophore for the development of anti-virulence agents