Mimes de superoxyde dismutase : une approche intégrée de la conception chimique à la bio-activité cellulaire

Superoxide dismutase mimics : an integrated approach from chemical design to bioactivity in cells

• Auteur / Autrice : Jean Bouvet
• Direction : Clotilde Policar, Sylvie Demignot, Joëlle Vinh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des biomolécules (Paris ; 2009-2024)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Gasser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Agnès Sari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olga Iranzo, Florence Pinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antioxydants

Stress oxydatif

Superoxyde dismutase

Mots clés libres

Superoxyde dismutase

Chimie

Biologie

Inorganique

Stress oxydant

Antioxydant

Superoxide dismutase

Chemistry

Biology

Inorganic

Oxidative stress

Antioxidant

Résumé

Les superoxydes dismutases (SODs) sont des métalloenzymes, présentent dans l’ensemble du règne vivant, jouant un rôle crucial dans les défenses antioxydantes. En effet, elles régulent la concentration de l’anion superoxyde qui est un dérivé réactif de l’oxygène et un sous-produit naturel du métabolisme de celui-ci. Dans certaines maladies, comme les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin, il a été montré une déficience des défenses antioxydantes et en particulier des SODs. En conséquence, une augmentation des espèces réactives de l’oxygène est observée (stress oxydant) qui serait impliquées dans la pathogénèse. L'utilisation de complexes métalliques mimant la SOD et son activité catalytique pourrait constituer une solution prometteuse dans le traitement de cette maladie inflammatoire et celles liées, de près ou de loin, au stress oxydant. Dans une première partie, des mimes de SOD ont été développés en s’appuyant sur une approche biomimétique. Une première stratégie basée sur des complexes peptidiques cherchant à imiter les différentes sphères de coordination des enzymes endogènes a été suivie. Pour ce faire, des peptides s’autoassemblant en homotrimères d’hélices alpha ont été modifiés afin d’insérer un site de coordination au cœur de la structure, similaire à celui de la SOD1. Ils ont été caractérisés et possèdent une activité anti-superoxyde. Afin de se rapprocher au plus près des sites actifs naturels, une asymétrisation a ensuite été réalisée par le biais d’hétérotrimères ce qui a exacerbé l’activité. Une seconde stratégie fondée sur l’utilisation de petites molécules telles que Mn1, un complexe à base de Mn reproduisant le site actif de la SOD2 et son activité, a été explorée. Ce complexe avait préalablement démontré une activité anti-inflammatoire sur cellules et sur modèle murin. Un nouvel analogue Mn1IP a en particulier été étudié. Il a pu être montré qu’il possédait une bio-activité équivalente. Dans le but d’obtenir d’avantage d’informations sur la spéciation cellulaire de Mn1 et de ses dérivés, leurs ligands ont été marqués avec du brome. Les molécules en découlant ont été caractérisées et un premier essai en imagerie de fluorescence X a pu être réalisé. Dans une seconde partie, nous avons d’abord cherché à évaluer le stress oxydant sur un modèle cellulaire épithélial intestinal de l’inflammation à l’aide de différentes sondes connues dans la littérature. Le lipopolysaccharide (LPS) bactérien classiquement utilisé pour déclencher l’inflammation n’a pas montré une augmentation du stress oxydant contrairement à d’autres générateurs d’espèces réactives de l’oxygène. Cette absence d’augmentation a été attribuée au fait que le stress oxydant généré par le LPS était probablement trop faible sur ce modèle pour être quantifiable de cette manière. Dans un second temps, nous avons exploré plus en détail la réponse cellulaire après exposition au LPS au travers de l’expression protéique et génomique de plusieurs entités biologiques jouant un rôle prépondérant dans l’inflammation et le stress oxydant, toutes étant liées aux maladies inflammatoires chroniques de l’intestin. Il a pu être montré que la dérégulation d’expression induite par le LPS était partiellement ou totalement jugulée lorsque Mn1 était incubé conjointement. Dans un troisième temps, nous avons développé une stratégie de criblage à haut débit par imagerie métabolique pour la découverte de mimes de SOD. Cette méthode réduit fortement le temps nécessaire pour la caractérisation des effets biologiques de nouvelles molécules puisqu’un grand nombre de composés peut être testé au même moment sur une large gamme de concentrations. Finalement, nous avons analysé de nouveau des données transcriptomiques de la littérature sur des patients atteints de la maladie de Crohn et nous avons pu montrer que des voies du stress oxydant étaient impliquées à la fois dans la maladie mais également dans la rechute des patients après traitement opératoire.

Superoxide Dismutases (SODs) are metalloenzymes present throughout all the kingdoms of life, playing a crucial role in antioxidant defence. They regulate the concentration of superoxide anion, a reactive oxygen species and a natural by-product of oxygen metabolism. In certain diseases, such as chronic inflammatory bowel diseases, it has been shown that antioxidant defences are weakened, in particular SODs. As a result, an increase in reactive oxygen species (oxidative stress) is observed, which is thought to be involved in pathogenesis. To compensate for the deficiency of SODs, the use of metal complexes mimicking their catalytic activity could be a promising solution in the treatment of this inflammatory disease and others, closely or remotely linked to oxidative stress. In the first part, SOD mimics were developed using a biomimetic approach. A first strategy based on peptide complexes seeking to mimic the different coordination spheres of endogenous enzymes was followed. To this end, peptides self-assembling into alpha-helix homotrimers were modified to insert a coordination site at the heart of the structure, similar to that of SOD1. They have been characterized and showed anti-superoxide activity. In order to get as close as possible to the natural active sites, asymmetrization was then performed using heterotrimers, which exacerbated the activity. A second strategy, based on the use of small molecules such as Mn1, a Mn-based complex reproducing the SOD2 active site and its activity, was explored. This complex had previously demonstrated anti-inflammatory activity in cell and mouse models. In particular, a new Mn1IP analogue, which had a less toxic ligand but was also less active, was studied. It was shown to have equivalent bioactivity. In order to gain further information on the cellular speciation of Mn1 and its derivatives, their ligands were labelled with bromine. The resulting molecules were characterized and an initial X-ray fluorescence imaging experience was carried out. Other small molecules were also studied. In a second part, we first sought to assess oxidative stress in an intestinal epithelial cell model of inflammation using various probes known from the literature. The bacterial lipopolysaccharide (LPS) classically used to trigger inflammation did not show an increase in oxidative stress, unlike other reactive oxygen species generators. This lack of increase was attributed to the fact that the oxidative stress generated by LPS was probably too low in this model to be quantifiable in this way. In a second step, we explored in greater detail the cellular response after LPS exposure through protein and genomic expression of several biological entities playing a prominent role in inflammation and oxidative stress, all of which are linked to chronic inflammatory bowel diseases. It was shown that LPS-induced expression deregulation was limited when Mn1 was co-incubated. Thirdly, we developed a high-throughput metabolic imaging screening strategy for the discovery of SOD mimics. This method greatly reduces the time needed to characterize the biological effects of new molecules, since a large number of compounds can be tested at the same time over a wide range of concentrations. Finally, we re-analysed transcriptomic data from the literature on Crohn's disease patients and were able to show that oxidative stress pathways were involved both in the disease and in the relapse of patients after operative treatment.