Développement d'un pan-inhibiteur des protéases 3CL comme arme thérapeutique contre le SARS-CoV-2 et les potentiels coronavirus émergents

Development of a pan-inhibitor of 3CL proteases as a therapeutic weapon against SARS-CoV-2 and potential emerging coronaviruses

• Auteur / Autrice : Fatima-Zahra Chaibi
• Direction : Julie Charton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du médicament
• Date : Soutenance le 15/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Médicaments et Molécules pour agir sur les Systèmes Vivants (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Busca
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Lebègue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Jean Christophe Albrecht, Françoise Debart
• DOI : 10.70675/fde619fdz4578z415dzb264ze70292c87dd9

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recherche en pharmacie

Conception de médicament

Découverte de médicament

Chimie pharmaceutique

Protéases 3C des coronavirus

Inhibiteurs des protéases des coronavirus

Antiviraux

Coronavirus

SARS-CoV-2

COVID-19

traitement médicamenteux

Infections à coronavirus

Pharmacie -- Recherche

Médicaments -- Mise au point

Antiprotéases

Antiviraux

SARS-CoV-2 (virus)

Chimiothérapie

Covid-19

Mots clés libres

SARS-CoV-2

Composés antiviraux

Chimie médicinale

Inhibiteurs de 3CL-Protéases

SARS-CoV-2

Antiviral compounds

Medicinal chemistry

3CL-Proteases inhibitors

Résumé

Les coronavirus constituent une grande famille de virus à ARN simple brin positif, reconnaissables par leurs projections en forme de couronnes à leur surface. Parmi eux, sept coronavirus sont connus pour infecter l’Homme et sont responsables de maladies respiratoires, allant du simple rhume à des pathologies potentiellement mortelles, comme le syndrome respiratoire aigu sévère (SARS) et le syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS). Le SARS-CoV-2, responsable de la pandémie de COVID-19, a été découvert en décembre 2019 à Wuhan, en Chine, et s'est rapidement propagé à travers le monde, il a causé à ce jour plus de 7 millions de décès. Malgré des efforts considérables pour lutter contre la pandémie de Covid-19 et l'annonce par l'OMS de la fin de l'urgence sanitaire mondiale en mai 2023, le SARS-CoV-2 continue de circuler avec l’apparition constante de nouveaux variants. Actuellement, il n'existe qu'un nombre limité de traitements antiviraux spécifiques pour lutter contre le SARS-CoV-2. Il est donc crucial de développer des antiviraux à large spectre contre cette famille de virus afin de traiter non seulement la Covid-19 mais aussi les potentielles infections futures liées à des coronavirus émergents.Dans ce contexte, la recherche de composés antiviraux spécifiques du SARS-CoV-2 s’est rapidement focalisée sur un constituant essentiel du cycle de réplication de ces virus : la protéase principale, connue sous le nom de 3CLpro ou Mpro. Cette protéase est responsable du clivage des polyprotéines virales en protéines non structurales impliquées dans le complexe de réplication-transcription. Ainsi, en raison de son implication cruciale dans le cycle viral, de l'absence d'homologue humain étroitement apparenté et de sa forte conservation parmi les coronavirus, la 3CLpro se distingue comme une cible intéressante pour la conception d'antiviraux à large spectre efficaces contre le SARS-CoV-2 et les futurs coronavirus émergents. L’autorisation de mise sur le marché d’inhibiteurs de cette protéase dont le nirmatrelvir (Paxlovid®, US, Europe) et l’ensitrelvir (Xoccova®, Japon) a confirmé l’intérêt de cette protéase comme cible thérapeutique.L'objectif des travaux de cette thèse était de développer des inhibiteurs de la 3CLpro, non peptidomimétiques, puissants et à large spectre contre les coronavirus. Pour ce faire, différents criblages sur la 3CLpro du SARS-CoV-2 ont eu lieu au laboratoire conduisant à l’identification et à la sélection de plusieurs séries chimiques d’intérêt pour une phase d’optimisation multiparamétrique. Dans les deux premières séries chimiques présentées dans ce manuscrit, 45 composés ont été synthétisés et ont permis d’établir des relations structure-activité et d’augmenter la puissance sur la cible avec l’obtention d’inhibiteurs sub-micromolaires covalents et non covalents. Pour les composés les plus prometteurs, les paramètres physicochimiques et pharmacocinétiques in vitro ont été évalués. L'activité enzymatique a été évaluée sur un panel de quatre protéases 3CL de différents coronavirus. Enfin, l'activité antivirale en cellules a été testée sur deux coronavirus humains dont le SARS-CoV-2. La troisième série chimique présentée dans ce travail s’est révélée la plus prometteuse avec des inhibiteurs puissants de l’ordre du nanomolaire. L’objectif de mon travail dans cette série a consisté à améliorer le profil pharmacocinétique des inhibiteurs tout en conservant la puissante activité antivirale déjà atteinte. En résumé, soixante analogues ont été synthétisés au cours de cette thèse afin d’identifier des composés présentant des profils pharmacologique et pharmacocinétique favorables pour une preuve de concept chez l’animal et un développement préclinique. Des résultats très prometteurs ont été obtenus pour la troisième série chimique qui est toujours en cours d’optimisation au laboratoire.

Coronaviruses are a large family of single-stranded positive RNA viruses, recognizable by the crown-shaped projections on their surface. Among them, seven coronaviruses are known to infect humans, and are responsible for respiratory illnesses, from the common cold to life-threatening conditions such as severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East respiratory syndrome (MERS). SARS-CoV-2, responsible for the COVID-19 pandemic, was discovered in December 2019 in Wuhan, China, and has spread rapidly around the world, causing over 7 million deaths to date. Despite considerable efforts to combat the Covid-19 pandemic and the WHO's announcement of the end of the global health emergency in May 2023, SARS-CoV-2 continues to circulate, with new variants constantly appearing. Currently, there are only a limited number of specific antiviral treatments available to combat SARS-CoV-2. It is therefore crucial to develop broad-spectrum antivirals against this family of viruses in order to treat not only Covid-19, but also potential future infections linked to emerging coronaviruses.In this context, the search for antiviral compounds specific to SARS-CoV-2 quickly focused on an essential component of the replication cycle of these viruses: the main protease, known as 3CLpro or Mpro. This protease is responsible for cleaving viral polyproteins into non-structural proteins involved in the replication-transcription complex. Thus, due to its crucial involvement in the viral cycle, the absence of a closely related human homologue and its high conservation among coronaviruses, 3CLpro stands out as an interesting target for the design of broad-spectrum antivirals effective against SARS-CoV-2 and future emerging coronaviruses. The marketing authorization of inhibitors of this protease, including nirmatrelvir (Paxlovid®, US, Europe) and ensitrelvir (Xoccova®, Japan), has confirmed the interest of this protease as a therapeutic target.The aim of this thesis was to develop potent, broad-spectrum, non-peptidomimetic 3CLpro inhibitors against coronaviruses. To achieve this, various screenings on the 3CLpro of SARS-CoV-2 were carried out in the laboratory, leading to the identification and selection of several chemical series of interest for a multiparametric optimization phase. In the first two chemical series presented in this manuscript, 45 compounds were synthesized, enabling us to establish structure-activity relationships and increase potency on the target by obtaining covalent and non-covalent sub-micromolar inhibitors. For the most promising compounds, physicochemical and in vitro pharmacokinetic parameters were assessed. Enzymatic activity was assessed on a panel of four 3CL proteases from different coronaviruses. Finally, antiviral activity in cells was tested on two human coronaviruses, including SARS-CoV-2. The third chemical series presented in this work proved the most promising, with potent inhibitors in the nanomolar range. The aim of my work in this series was to improve the pharmacokinetic profile of the inhibitors while maintaining the potent antiviral activity already achieved. In summary, sixty analogues were synthesized during this thesis to identify compounds with favorable pharmacological and pharmacokinetic profiles for proof-of-concept in animals and preclinical development. Very promising results were obtained for the third chemical series, which is still being optimized in the laboratory.