Design, synthesis, molecular modeling, and biological evaluation of novel polyphenolic and boronic-based arginase inhibitors

Conception, synthèse, modélisation moléculaire et évaluation biologique de polyphénols et dérivés boroniques comme nouveaux inhibiteurs d'arginase

• Auteur / Autrice : Luca Marchisio
• Direction : Marc Pudlo, Corine Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Médecine, biochimie, biologie cellulaire et moléculaire, physiologie et nutrition
• Date : Soutenance le 26/09/2025
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions hôte-greffon-tumeur- ingénierie cellulaire et génique - UFC (UMR INSERM 1098) / RIGHT
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Frédérick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Cardey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Gérard, Marine Peuchmaur
• DOI : 10.70675/18c7a493z923ez472ezbf64z664f87e67560

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyphenbutazone

Acides boroniques

Thioamides

Polyphénols

Picéatannol

Arginase

Mots clés libres

Arginase

Picéatannol

Polyphénols

Thioamide

Oxazolidin-5-One

Acides boroniques

Boronic acids

Résumé

L’arginase est une métalloenzyme qui catalysel’hydrolyse de la L-arginine en urée et en L-ornithine. Unesurexpression de l’arginase contribue à divers processuspathologiques, notamment, échappement immunitaire, etremodelage tissulaire. Elle apparait dans des cancers etcertaines fibroses. L’inhibition de l’arginase présente donc unfort potentiel thérapeutique. Toutefois celle-ci reste un défi,comme en témoigne le faible nombre d’inhibiteurs efficaces:des acides α-aminés avec un résidu boronique et despolyphénols dont l’activité modérée, est compensée par leurpotentiel multi-cible. Le présent travail porte sur la conception,la synthèse, la modélisation et l’évaluation de nouveauxinhibiteurs de l’arginase. Le premier volet porte sur desinhibiteurs boroniques. Dans un premier temps, une voie desynthèse a été réorientée dans la perspective de concevoir desinhibiteurs bifonctionnels. Cette approche a conduit à lasynthèse d’un acide α-aminé avec un résidu boronique et uneancre chimique. Dans un second temps, une activité inhibitriceprometteuse d’acides β-aminés ayant été récemment identifiée,des acides β-aminés avec un résidu boronique ont été conçusselon une approche de type fragment-based. Une nouvelle voiede synthèse a été élaborée, à partir de l’acide de Meldrum, etd’une réaction d’annélation-fragmentation [3+2], conduisant àun intermédiaire de type oxazolidin-5-one, qui a ensuite étéborylé par catalyse organométallique.Toutefois, l’activité inhibitrice de ces composés s’est révéléedécevante. Le deuxième volet porte sur le développementd’inhibiteurs inspirés de produits naturels. D’abord, uneoptimisation de type hit-to-lead a été menée à partir d’une auroneidentifiée par criblage. Ce travail a conduit à la synthèse dechalcones polyphénoliques qui ont montré un meilleur résultat surl’arginase corroborée par une étude de modélisation en chimiequantique. Ensuite, un travail de pharmacomodulation dupicéatannol, un stilbène polyphénolique dont l’activité surl’arginase a été démontrée, a été engagé. La synthèse etl’évaluation d’amidines et de thioamides a permis d’identifier unthioamide avec deux motifs catéchols dont l’activité inhibitrice estdeux fois supérieure à celle du picéatannol. Une étude demodélisation en chimie quantique, a permis de rationnaliser cerésultat. De plus, ce composé a montré d’excellentes propriétésantioxydantes et au regard du potentiel multicible des polyphénols,il a été testé dans un modèle de fibrose dermique. Les résultats sontencourageants et quoiqu’ils semblent décorrélés d’un effet surl’arginase, ce composé est un candidat prometteur pour letraitement de la fibrose dont le mécanisme précis reste à élucider.

Arginase is a metalloenzyme that catalyses thehydrolysis of L-arginine to L-ornithine and urea. Theoverexpression of arginase contributes to various pathologicalprocesses, including oxidative stress, and tissue remodelling,and occurs in fibrosis. Therefore, inhibiting arginase has strongtherapeutic potential. However, this remains a challenge, asevidenced by the small number of effective inhibitors. Boronicacids are considered among the most effective inhibitors: α-amino acids with a boronic residues, and polyphenols whichdisplay only moderate activity; however, this limitation isbalanced by their potential to act on multiple targets. This workfocuses on the design, synthesis, modelling and evaluation ofnew arginase inhibitors. The first part focuses on boronicinhibitors. Initially, a synthetic route was revisited to designbifunctional inhibitors. This approach resulted in the synthesisof an α-amino acid with a boronic residue and a chemicalanchor. Secondly, following the recent identification, of theinhibitory activity of β-amino acids, a fragment-based approachwas used to design β-amino acids with a boronic residue. A newsynthetic route was developed starting from Meldrum's acid andinvolving a [3+2] annelation-fragmentation reaction to producean oxazolidin-5-one intermediate. This intermediate is thenborylated using organometallic catalysis.However, the inhibitory activity of these compounds was limited.The second part of the research focused on developing inhibitorsinspired by natural products. First, hit-to-lead optimisation wascarried out based on an aurone identified by screening. This workled to the synthesis of polyphenolic chalcones that show betterarginase inhibition, as corroborated by a quantum chemistrymodelling study. Next, pharmacomodulation work wasundertaken on piceatannol, a polyphenolic stilbene with knownarginase activity. The synthesis and evaluation of amidines andthioamides led to the identification of a thioamide bearing twocatechols, whose inhibitory activity was twice that ofpiceatannol. A quantum chemistry modelling study rationalisedthis result. In addition, this compound displayed excellentantioxidant properties, and given the multi-target potential ofpolyphenols, it was assessed in a dermal fibrosis model.Although the results appear to be unrelated to an effect onarginase, this compound is a promising candidate for thetreatment of fibrosis, and the precise mechanism remains to beelucidated.