Plateformes multimodales ciblant l’anhydrase carbonique pour l’imagerie et la thérapie synergique de tumeurs

Multimodals platforms targeting tumor-associated carbonic anhydrase for imaging and synergistic therapy of tumors

• Auteur / Autrice : Amina Merabti
• Direction : Sébastien Clément, Jean-Yves Winum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Frochot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Richeter
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Paul-Roth, Isabelle Bonnamour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inhibiteurs

Hypoxie

Anhydrase carbonique

Imagerie médicale

Photosensibilisants

Photochimiothérapie

Mots clés libres

Photosensibilisateur

Imagerie

Thérapie photodynamique

Anhydrase carbonique IX(hCA IX)

Hypoxie tumorale

Inhibiteur

Photosensitizer

Imaging

Photodynamic therapy

Human Carbonic anhydrase IX (hCA IX)

Tumor hypoxia

Inhibitor

Résumé

La thérapie photodynamique (PDT) est une approche thérapeutique utilisée dans le traitement du cancer, basée sur l'association de la lumière, de l'oxygène et un photosensibilisateur (PS). L'action de la lumière à une longueur d'onde spécifique sur le PS en présence O2, conduit à la formation des espèces réactives oxygénées (ROS), induisant la mort cellulaire, Au cours du processus de PDT, deux types de réactions sont induites, type I et type II. La réaction de type I implique le transfert d'électrons, ce qui aboutit à la production de ROS, le processus de type II, conduit à la formation de 1O2, à la suite d’un transfert d'énergie. La PDT peut perdre son efficacité à cause de l’hypoxie tumorale, une des caractéristiques fréquemment retrouvé dans la plupart des tumeurs solides. Les effets induits par les faibles niveaux d’oxygène sont orchestrés par des facteurs induits par l’hypoxie (HIF), qui régulent de nombreux gènes impliqués dans la progression du cancer. Une des réponses adaptatives des cellules tumorales à l’hypoxie implique l’expression accrue et l’activation fonctionnelle de l’anhydrase carbonique IX (hCA IX), une enzyme membranaire catalysant la conversion réversible du dioxyde de carbone en ion bicarbonate et un proton, il est considéré comme un marqueur de l’hypoxie et une cible thérapeutique, Due à son mode d'expression et ses implications fonctionnelles dans la biologie des tumeurs.Cette thèse s’inscrit dans ce contexte et vise à développer des nouveaux PSs fonctionnels, incorporant des inhibiteurs sélectifs des anhydrases carboniques hCA IX/XII, pour la thérapie et l’imagerie de tumeurs hypoxiques. Dans un premier temps, la synthèse, la caractérisation et l'étude des propriétés optiques des nouvelles porphyrines de zinc (II) tétrafonctionnalisées liés à des CAi de la famille des sulfonamides ou des coumarines ont été abordé. Cette approche a montré le potentiel de la combinaison des PSs et d’inhibiteurs sélectifs de hCA IX et hCA XII, par cibllage spécifique des membranes des Capan-1, et de reduire la prolifération cellulaire. En outre, les propriétés intéressantes de PS lié à la coumarine, font de ce PS un candidat potentiel pour la PDT. Dans une deuxième approche, une série des systèmes hybrides CAi-PS, qui combinent un inhibiteur de la famille des sulfonamides, coumarine ou sulfocoumarine ont été développés. L’imide de thiochroménocarbazole (TCI) été utilisé comme un PS. Les propriétés optiques des PSs obtenus ont été évaluées, ainsi que leur capacité de générer 1O2, des essais d’inhibition de hCA sur quatre isoformes humaines sont effectuées. Ces PSs ont montré des propriétés optiques importantes, et une efficacité à générer 1O2. De plus les PSs avec le fragment de coumarine ou sulfocoumarine ont fait preuve d'une forte sélectivité, sans aucune activité sur les cibles cytosoliques, ce qui leur confère la possibilité de cibler les membranes des cellules cancéreuses. Des études sont en cours pour examiner plus en détails leur activité biologiques. Finalement, la synthèse de trois PS avec des propriétés AIE (Aggregation-induced emission), liés avec des inhibiteurs sélectifs de hCA IX et hCA XII a été abordée, l’architecture de ces PSs est basée sur un system Donneur-Accepteur. Les CAi de la famille de sulfonamide ou coumarin, ont été liés selon différentes manière au TPE, soit directement, ou en les séparant du motif TPE avec des chaines alkyles. Leur préparation, leurs propriétés optiques, leurs capacités à inhiber CA et à produire de l’1O2 ont été décrits. Les TPEs ont montré une forte génération d’1O2 avec des propriétés AIE intéressantes. L’évaluation de leur activité inhibitrice sur hCA a montré que les TPEs avec des unités de coumarine sont sélectifs vis-à-vis des isoformes membranaires hCA IX et XII. Par la suite des études biologiques qui sont actuellement en cours afin de tester plus en détails leur photocytoxicité et leur capacité à être utilisés comme agents pour la PDT et l’imagerie.

Photodynamic therapy (PDT) is a therapeutic approach mainly used in the treatment of cancer, based on the combination of light, oxygen and a PS. The action of light at a specific wavelength on the PS in the presence of oxygen results in the formation of reactive oxygen species (ROS), inducing cell death. During the PDT process, two types of photo-induced reactions occur, type I and type II. The type I reaction involves electron transfer, leading to the production of ROS. The type II process, on the other hand, leads to the formation of 1O2 due to energy transfer. PDT can lose its effectiveness because of tumor hypoxia, a feature frequently found in most solid tumors. The effects induced by low oxygen levels are orchestrated by hypoxia-inducible Factor (HIF), that regulate many genes involved in cancer progression. One of the adaptive responses of tumor cells to hypoxia involves increased expression and functional activation of carbonic anhydrase IX (hCA IX), a membrane enzyme catalyzing the reversible conversion of carbon dioxide to bicarbonate ion and a proton, it is considered as marker of hypoxia and therapeutic target, due to its mode of expression and its functional implications in tumor biology.The aim of this thesis is to develop new functional PSs incorporating selective inhibitors of hCA IX /XII for the therapy and imaging of hypoxic tumors.Firstly, the synthesis, characterization and study of the optical properties of new tetrafunctionalized zinc (II) porphyrins linked to CAi of sulfonamide or coumarin family. This approach showed the potential of combining PSs and selective CAi for hCA IX and hCA XII, more specifically the CAi introduction, allow to the porphyrin specifically targeting the Capan-1 membrane and, alter cell proliferation. In addition, the effective properties of the PS linked to coummarin moieties make this PS a promising candidate for PDT. In the second approach the development of series of CAi-PS hybrid systems, which combine a classic CAi from the sulfonamide family, coumarin or sulfocoumarin units are discussed. The thiochromenocarbazole imide (CTI) has been used as a PS. The optical properties of the PSs obtained, their ability to generate 1O2 were then evaluated. Subsequently, hCA inhibition assays on four human isoforms were carried out. These PSs showed significant optical properties, and excellent efficiency in generating 1O2, PSs with the coumarin sulfocoumarin fragments showed high selectivity, giving them the possibility of targeting cancer cells membrane, studies are currently underway to examine their biological activity in more detail.Finally, the synthesis of three PS with AIE properties (Aggregation-induced emission), linked with selective hCA IX and hCA XII inhibitors was discussed. the architecture of these PSs is based on a Donor-Acceptor system. CAi of sulfonamide or coumarin sries, have been linked in different ways to the TPE, either directly, or by separating them from the TPE core with alkyl chains. Their preparation, optical properties, CA inhibition and 1O2 production were described. The TPEs showed excellent 1O2 generation with interesting AIE properties, and then their hCA inhibition assays reported that TPES linked to coumarin units are selective towards hCA membrane isoforms IX and XII. Afterwards biological studies, which are currently underway to test their photocytoxicity and their ability to be used as agents for PDT and imaging.