Synthèse de modulateurs allostériques pour le récepteur nicotinique alpha-5 selon une approche par fragments

Fragment-based design and synthesis of allosteric modulators for alpha-5 nicotinic receptors

• Auteur / Autrice : Antoine Coeuillas
• Direction : Delphine Joseph, Emmanuelle Drège
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie thérapeutique
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomolécules : conception, isolement, synthèse (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Scherrmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zacharias Amara, Ludovic Jean, Nicolas Wolff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zacharias Amara, Ludovic Jean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synthèse en flux continu

Récepteurs nicotiniques

Chimie pharmaceutique

Chimie organique

Mots clés libres

Fragment-Based Drug Discovery

Chimie Médicinale

Récepteurs Nicotiniques

Chimie en flux

Chimie click

Synthèse organique

Fragment-Based Drug Discovery

Medicinal chemistry

Nicotinic receptors

Flow chemistry

Click chemistry

Organic synthesis

Résumé

Les récepteurs nicotiniques à l’acétylcholine (nAChRs) appartiennent à la superfamille des canaux ioniques pentamériques activés par des ligands (pLGICs). Ils sont impliqués dans la transmission et la modulation de l’influx nerveux et sont, à ce titre, des cibles thérapeutiques privilégiées pour le traitement de neuropathologies dont la schizophrénie ou la maladie d’Alzheimer ou encore de l’addiction au tabac. Parmi les différents sous-types de nAChRs, le sous-type neuronal α5(α4β2)₂ suscite un intérêt croissant depuis qu’a été établie une forte corrélation entre des mutations de la sous-unité « accessoire » α5 et l’addiction à la nicotine. Ce sous-type α5(α4β2)₂ s’avère être une cible prometteuse pour le développement de traitements anti-tabac via la conception de ligands spécifiques de l’interface α5(+)/α4(-), encore orpheline à ce jour, afin de moduler positivement (PAM) ou négativement (NAM) l’allostérie du récepteur. Le criblage préliminaire d’une série d’alcaloïdes naturels, réalisé sur une protéine homologue dont l’interface α5/α4 a été recrée par mutagenèse dirigée (AChBP-5/4), a permis l’identification de plusieurs ligands non spécifiques d’affinité micromolaire, dont la lobéline. De par leur grande divergence structurale, un programme de conception de novo de ligands spécifiques de l’interface α5(+)/α4(-) a alors été initié selon une approche par fragments (FBDD). Pour explorer un espace chimique étendu, une banque de fragments a été conçue virtuellement par déconstruction de ligands ortho- et allo-stériques des récepteurs nicotiniques et muscariniques (nAChRs et mAchRs respectivement). L’affinité de plus de 2 000 fragments a été évaluée in silico par docking et par RMN. L’identification de plusieurs fragments hits contenant un hétérocycle aromatique à 5 chainons, substitué par une pipéridine, a inspiré la conception par recombinaison de fragments d’une structure à motif 1,2,3-triazole apparentée à celle de la lobéline. L’affinité de ce dernier s’est révélée prometteuse. L’architecture de ce fragment triazole hit a servi de chef de file pour la conception et la synthèse de nouveaux composés issus de la recombinaison d’autres fragments hits via la réaction « click » de cycloaddition azoture-alcyne cuprocatalysée (CuAAC). L’affinité de ces nouvelles molécules pour l’AChBP-5/4 a été évaluée par thermophorèse à microéchelle (MST) et l’activité des composés les plus affins a été testée par électrophysiologie sur des concatémères α5(α4β2)₂. Plusieurs ligands synthétisés présentent des profils intéressants de modulateurs allostériques. En parallèle, afin de de diminuer l’impact environnemental de nos synthèses et de faciliter l’étape de recombinaison de fragments, nous avons développé une méthode de synthèse en flux continu de 1,2,3-triazole par CuAAC activée par les ultrasons et utilisant un catalyseur au cuivre hétérogène réutilisable.

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) belong to the ligand-activated pentameric ion channels (pLGICs) superfamily. They are involved in neuronal synaptic transmission and modulation. Thus, they are considered suitable therapeutic targets of neuropathologies such as schizophrenia or Alzheimer’s disease, or even tobacco addiction. Among the different subtypes of nAChRs, the neuronal α5(α4β2)₂ subtype has attracted growing interest since a strong correlation was established between mutations in the ''accessory'' α5 subunit and nicotine addiction. This α5(α4β2)₂ subtype is proving to be a promising target for the development of anti-smoking treatments via the design of ligands specific to the orphan α5(+)/α4(-) interface that will act as positive (PAM) or negative (NAM) allosteric modulators of the receptor subtype. Preliminary screening of a series of natural alkaloids was performed on a surrogate of the nAChRs extracellular domain whose α5/α4 interface was engineered by site-directed mutagenesis (AChBP-5/4). Several non-specific ligands, including lobeline, were identified with micromolar affinity. Due to their high structural divergence, a program of de novo drug design of ligands specific to the α5(+)/α4(-) interface was then initiated using a fragment-based approach (FBDD). To explore an extended chemical space, a fragment library was virtually designed by deconstructing ortho- and allo-steric nicotinic and muscarinic ligands. The affinity of more than 2000 fragments was assessed by molecular docking followed by STD-NMR experiments. The identification of several hit fragments containing piperidine-substituted 5-membered aromatic heterocycles inspired the design of a lobeline-like 1,2,3-triazole compound by fragment recombination. The affinity of the latter proved promising. This triazole hit-fragment was used to design and synthesize novel analogs derived from the recombination of other hit-fragments via the cuprocatalysed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) click reaction. The affinity of these recombined molecules for AchBP-5/4 was assessed by microscale thermophoresis (MST), and the activity of the most affine compounds was tested by electrophysiology on α5(α4β2)₂ concatemers. Several synthesized ligands show interesting profiles as allosteric modulators. In the meantime, to lower the environmental impact of our synthetic pathways and facilitate the fragment recombination, we developed a method to synthesize 1,2,3-triazole in a continuous flow by ultrasound-activated CuAAC using a reusable heterogeneous copper catalyst.