Inhibition de l'activité de Patched impliquée dans la résistance aux chimiothérapies : approches biocomputationnelle, chimique et cellulaire

Inhibition of Patched chemotherapy resistance activity : biocomputational, chemical and cellular approaches

• Auteur / Autrice : Sandra Kovachka
• Direction : Stéphane Azoulay, Isabelle Mus-Veteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Bolla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Azoulay, Isabelle Mus-Veteau, Jean-Michel Bolla, Maria Laura Bolognesi, Rui Ferreira Alves Moreira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maria Laura Bolognesi, Rui Ferreira Alves Moreira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux médicaments

Cancer

Mots clés libres

Efflux des médicaments

Cancer

Patched1

Résistance aux médicaments

Cancer

Multidrug resistance

Drug efflux

Patched1

Résumé

Malgré des efforts continus dans le développement de nouveaux médicaments, la résistance aux chimiothérapies reste un défi majeur dans le traitement du cancer. L'un des principaux mécanismes responsables de la résistance aux médicaments est l'efflux des agents thérapeutiques hors des cellules cancéreuses par les transporteurs multidrogues.Le récepteur Hedgehog Patched1 (PTCH1), qui fait partie de la voie de signalisation Hedgehog, est surexprimé dans de nombreux cancers. Outre son rôle physiologique de transporteur de cholestérol, PTCH1 est aussi capable de transporter des agents anticancéreux hors des cellules cancéreuses, contribuant ainsi à la résistance aux médicaments avec les transporteurs ABC (ATP binding cassette). Contrairement à ces derniers, qui sont exprimés de manière endogène dans les cellules normales et jouent un rôle crucial dans la survie cellulaire, l'activité d'efflux de PTCH1 n'a lieu que dans les cellules cancéreuses. Cela fait de PTCH1 une nouvelle cible prometteuse pour le traitement du cancer. Trois inhibiteurs de son activité d'efflux ont été identifiés à ce jour : l'astémizole, la méthiothépine et un composé naturel, la panicéine A hydroquinone (PAH). Ces composés augmentent l'efficacité des chimiothérapies contre les cellules de mélanome in vitro et in vivo, prouvant que l'inhibition de PTCH1 est une stratégie anticancéreuse pertinente. Cependant, ils présentent des limites intrinsèques et doivent être optimisés. Par exemple, la PAH a une très faible stabilité métabolique, ce qui empêche d'envisager son développement en tant que médicament.Dans ce contexte, le projet a pour objectif de développer un inhibiteur de l'efflux de PTCH1, en tant que médicament “first-in-class” pour lutter contre la résistance à la chimiothérapie et améliorer la survie des patients grâce à une optimisation rationnelle de la PAH.Nous avons donc étudié l'interaction entre la PAH et PTCH1 au moyen de méthodologies in silico et effectué une comparaison structure-ligand entre les trois inhibiteurs connus. En utilisant un protocole de docking couplé à des simulations de dynamiques moléculaires, nous avons extrait des informations importantes sur la conformation active d'un inhibiteur de PTCH1 et identifié un site de liaison supposé dans le canal hydrophobe de PTCH1.Nous avons mis au point une nouvelle synthèse totale de l'E-PAH qui répond à certaines limitations importantes de la précédente, telles que sa non-stéréosélectivité et sa grande spécificité de substrat. Après optimisation, nous avons finalement obtenu un nouveau protocole de synthèse stéréosélective et robuste pour les E et Z PAH. Ceci a permis de synthétiser plusieurs analogues de PAH dont l'activité a été évaluée sur des cellules de mélanome, en combinaison avec le vemurafenib, dans le but de réaliser une étude structure-activité pour le motif hydroquinone. Nous avons également évalué certaines propriétés pharmacocinétiques de ce motif, telles que la stabilité plasmatique et le profil de sécurité.La partie hydroquinone de la PAH est importante pour son activité biologique, mais c'est aussi l'un de ses principaux inconvénients en raison de son oxydation facile en quinone. En combinant les connaissances acquises grâce aux études in silico et SAR dans la dernière partie de ce projet, nous avons cherché à synthétiser des nouvelles molécules en appliquant un remplacement ''bioisostérique'', une approche souvent utilisée avec succès en chimie médicinale. Tout d'abord, le remplacement de la double liaison de la PAH par des groupes chimiques biologiquement équivalents a permis une stratégie de synthèse robuste, convergente et efficace, qui s'inscrit dans les tendances modernes des approches de chimie durable. Ensuite, il a été possible de synthétiser facilement un grand nombre de composés, en remplaçant le motif hydroxyquinone, et de cribler l'activité biologique in cellulo d'un espace chimique diversifié avec des résultats biologiques très prometteurs.

Despite the continuous efforts in the design and development of new drugs with innovative mode of action, resistance to both chemo- and targeted therapy remains a major challenge in cancer treatment. One of the major mechanisms responsible for multidrug resistance is the efflux of therapeutics out of cancer cells by multidrug transporters.The Hedgehog receptor Patched1 (PTCH1), part of the Hedgehog signaling pathway, is over-expressed in many cancers. In addition to its physiological role as cholesterol transporter, PTCH1 is also able to transport anticancer agents out of cancer cells, thus contributing to multidrug resistance together with the ATP binding cassette (ABC) transporters. Unlike ABC transporters which are endogenously expressed in normal cells and play a crucial role in cell survival, PTCH1 efflux activity takes place only in cancer cells. This makes PTCH1 a new attractive target for cancer treatment. Three inhibitors of PTCH1 efflux activity have been identified to date, namely, astemizole, methiothepin and the natural compound panicein A hydroquinone (PAH). These compounds increased the efficacy of both conventional and targeted chemotherapies against melanoma cells in vitro and in vivo, showing the proof of concept of PTCH1 inhibition as a successful anticancer strategy. However, they have some intrinsic limitations and require optimization. For instance, PAH, has a very low metabolic stability which prevents its advance in a drug development pipeline towards the clinics.In that context, this PhD project is aimed at the ultimate goal of developing a PTCH1 drug efflux inhibitor as a first-in-class drug candidate to fight chemotherapy resistance and improve patient survival. In particular, it comprehends the medicinal chemistry efforts made in the direction of rational optimization of the natural compound PAH.To this aim we studied the interaction between PAH and PTCH1 by means of in silico methodologies and we performed structure- and ligand based comparison between the three known inhibitors. By using an ensemble docking protocol coupled to molecular dynamics simulations of the ligands we extracted important information about the active conformation of a PTCH1 inhibitor and we identified a putative binding site within the hydrophobic channel on PTCH1.We developed a new total synthesis for E-PAH which addresses some important limitations of the previous one, such as its non-stereoselectivity and high substrate specificity. We applied several strategies and eventually obtained a stereoselective and robust new synthesis protocol for E and Z PAH. This allowed for the synthesis of several PAH analogs whose activity was evaluated on melanoma cells, in combination with vemurafenib, with the aim to assess a structure-activity relationship for the hydroquinone scaffold. We further evaluated some PK properties of the hydroquinone scaffold such as plasma stability and safety profile.The hydroquinone moiety of PAH is important for its biological activity but it is also one of its major drawbacks due to its easy oxidation to quinone. By combining the knowledge acquired from the in silico and SAR studies on the hydroquinone, in the last part of this PhD project we aimed at the synthesis of innovative scaffolds by applying a “bioisosteric” replacement on the hydroquinone, an approach often successfully used in medicinal chemistry. First, the replacement of the double bond of PAH with biologically equivalent chemical groups allowed for a robust, convergent and efficient synthetic strategy, which is line with the modern trends of sustainable chemistry approaches. Next, it made possible to readily synthesize a large number of compounds, substituting the hydroxyquinone motif, and screen the in cellulo biological activity of a diversified chemical space with quite promising biological results.