Vers des inhibiteurs fluorés de la cathepsine S pour l'imagerie non invasive de la plaque instable

Toward Fluorinated Cathepsin S inhibitors for noninvasive imaging of unstable plaque

• Auteur / Autrice : Justine Beuscart
• Direction : Emmanuel Gras, Olivier Lairez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Biologie, Santé
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Coudret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Belmont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renata Marcia de Figueiredo, Delphine Joseph

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagnostic

Athérosclérose

Tomographie par émission

Cathepsines

Mots clés libres

Synthèse organique

Chimie médicinale

Imagerie TEP

Medicinal Chemistry

PET Imaging

Organic synthesis

Résumé

L'athérosclérose est responsable d'une grande partie des événements cardiovasculaires et provoque chaque année plus de 19 millions de décès. La détection des plaques « instables », qui vont évoluer et sont susceptibles de se dégrader, est donc un enjeu actuel majeur dans la prévention des accidents cardiovasculaires. La tomographie par émission de positrons (TEP) représente une technique d'imagerie extrêmement prometteuse pour leur détection puisqu'elle permet une analyse non invasive des plaques chez le patient et l'utilisation de cibles sélectionnées qui définiront qualitativement la plaque d'athérome. La cathepsine S appartient à la famille des protéases à cystéine lysosomales, initialement identifiée dans les compartiments endosomals et lysosomal. Elle joue un rôle dans l'homéostasie des protéines intracellulaires en activant leur dégradation. Et dans le développement de pathologies cardiovasculaires. Fait intéressant, son expression a été identifiée dans des lésions athérosclérotiques humaines lorsque des segments artériels sains ne la contiennent pas. L'identification des lésions athéromateuses en PET pourrait ainsi être étudiée in vivo par marquage de la cathepsine S via des inhibiteurs radiofluorés. Ce projet de chimie médicinale vise à synthétiser des analogues fluorés des inhibiteurs de la cathepsine S. L'un des principaux objectifs est de concevoir une bibliothèque de nouvelles molécules fluorées afin d'explorer leurs affinités et spécificités et d'étudier le radiomarquage des molécules les plus prometteuses pour l'imagerie TEP. L'approche choisie repose sur des modifications structurales mineures d'un inhibiteur connu de la cathepsine S tel que le LHVS. Ce dérivé peptidique présente une très bonne constante d'inhibition (Ki) de 5nM pour la cathepsine S ainsi qu'une excellente sélectivité, prédisant la synthèse de molécules sélectives. Les inhibiteurs fluorés de la cathésine S et la recherche d'une sonde radiomarquée. La stratégie initiale dont nous discutons et avons pu mettre en place pour accéder au LHVS est la synthèse de deux blocs. D'une part le fragment morpholino-leucine et d'autre part la stratégie d'accès au motif aminovinylsulfone, s'appuyant sur les travaux antérieurs de Pericas, mettant en évidence les défis de cette approche et les succès obtenus en modifiant les réactions mises en œuvre pour aboutir à une approche qui est efficace tant du point de vue du rendement global que du contrôle de la stéréochimie. Enfin, nous décrirons une autre approche de synthèse, basée cette fois sur l'utilisation d'une allyl amine chirale. Nous montrerons en particulier que l'utilisation d'une allylamine chirale représente une approche encore plus convergente et donc parfaitement adaptée à la synthèse de la bibliothèque de composés que nous ciblions initialement. Nous décrirons l'accès rapide aux deux énantiomères d'allylamines nécessaires à la synthèse asymétrique d'analogues de LHVS, basé sur l'utilisation d'un auxiliaire chiral tel qu'une sulfinamide d'Ellman. Les transformations suivantes conduisant au LHVS et à ses différents diastéréoisomères sont décrites en suivant.

Atherosclerosis is responsible for a large part of cardiovascular events and causes more than 19 million deaths each year.The detection of « unstable » plaques, which will evolve and are likely to break down is therefore a major current issue in the prevention of cardiovascular accidents. Positron emission tomography (PET) represents an extremely promising imaging technique for their detection since it allows a non-invasive analysis of plaques in the patient and the use of selected targets that will qualitatively define atheromatous plaque. Cathepsin S belongs to the lysosomal cysteine protease family, initially identified in the endosomal and lysosomal compartments, playing a role in the homeostasis of intracellular proteins by activating their degradation. Recent studies have shown that these proteases are also found in extra-cellular space during the development of cardiovascular pathologies. Interestingly, its expression has been identified in human atherosclerotic lesions when healthy arterial segments do not contain it. PET’s atheromatous lesions identification might thus be investigated in vivo by labelling of Cathepsin S via radiofluorinated inhibitors. Our medicinal chemistry project aims to synthesizing fluorinated analogues of Cathepsin S inhibitors. One of the main goals is to design a library of new fluorinated molecules in order to explore their affinities and specificities and investigate the radiolabelling of the most promising molecules for PET imaging purpose. The chosen approach relies on minor structural modifications of a known Cathepsin S inhibitor such as LHVS. This peptide derivative exhibits a very good inhibition constant (Ki) of 5nM for Cathepsin S as well as an excellent selectivity, forecasting the synthesis of selective fluorinated inhibitors of Cathesin S and the quest for a radiolabelled probe. The initial strategy we discuss and were able to put in place to access the LHVS is the synthesis two blocks. On one hand the morpholino-leucine fragment and on the other hand the strategy to access the aminovinylsulfone motif, building on earlier work by Pericas, highlighting the challenges of this approach and the successes attained by altering the implemented reactions to result in an approach that is efficient both from the perspective of overall yield and the control of stereochemistry. Finally, we will describe another synthetic approach, this time based on the use of a chiral allyl amine. We will show in particular that the use of a chiral allylamine represents an even more convergent approach and therefore perfectly adapted to the synthesis of the library of compounds that we were initially targeting. We will describe the rapid access to the two enantiomers of allyl amines required for the asymmetric synthesis of LHVS analogues, based on the use of a chiral auxiliary such as an Ellman auxiliary. The further transformations allowing to access the diverses diastereoisomers of LHVS is subsequently described.