Conception et mode d’action de nouveaux outils photopharmacologiques pour la neuromodulation

Conception and mode of action of novel photopharmacological tools for neuromodulation

• Auteur / Autrice : Anaëlle Dumazer
• Direction : Cyril Goudet, Amadeu Llebaria soldevila
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec IQAC
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGF - Institut de Génomique Fonctionnelle
• Jury : Président / Présidente : Thomas Grutter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Goudet, Laëtitia Mony, Olalla Vazquez, Rob Leurs, Amadeu Llebaria
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laëtitia Mony, Olalla Vazquez

Mots clés

Mots clés libres

Récepteur

Pharmacologie

Chimie médicinale

Biologie moléculaire

Ligand

Photochimie

Molecular biology

Receptor

Ligand

Medicinal chemistry

Pharmacology

Photochemistry

Résumé

Manipuler une cible biologique avec une grande précision spatio-temporelle est d'un grand intérêt tant pour la recherche fondamentale que clinique. Telle est la promesse du domaine émergeant de la photopharmacologie qui permet de contrôler les interactions cible/médicament par la lumière. Une stratégie consiste à rendre un ligand photosensible grâce à l’incorporation d’un groupement azobenzène, qui isomérise sous l’effet de la lumière, modifiant la structure 3D du ligand et affectant ainsi ses propriétés de liaison au récepteur. Au cours de ce projet de thèse, nous nous sommes concentrés sur deux récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) à fort intérêt thérapeutique, le récepteur à l’adénosine A2A et le récepteur au glutamate mGlu5, associés à plusieurs maladies neurodégénératives et cardiovasculaires, à la douleur et au cancer. Cependant, la distribution ubiquitaire de ces récepteurs rend difficile le développement de médicaments spécifiquement ciblés et nous sommes convaincus que la photopharmacologie est un moyen élégant d'y parvenir. Ma thèse visait à développer un programme photopharmacologique spécifique pour les récepteurs mGlu5 et A2A. Les expériences nécessaires ont été réalisées conjointement dans le groupe MCS de l'IQAC, à Barcelone et à l’IGF à Montpellier. La génération de ces outils a requis la succession itérative de ces étapes: 1) La conception et la synthèse de ligands photoswitchables ciblant mGlu5 et A2A 2) Leur caractérisation photochimique 3) Leur caractérisation photopharmacologique in vitro and in vivo sur poisson zèbre. Concernant le récepteur A2A, nous avons commencé par étudier les propriétés photosensibles de l’istradefylline. Nous avons révélé que sa lente isomérisation en forme cis moins active à la lumière ambiante peut être accélérée avec la lumière violette et nous avons tiré profit de cette propriété pour désactiver spatio-temporellement l'activité d’istradefylline sur cellules et in vivo chez le poisson zèbre. Ensuite, nous avons décidé de prendre l'istradefylline comme modèle pour concevoir des antagonistes photoswitchables en utilisant une stratégie d'azologisation. Parmi les 23 dérivés synthétisés, cinq sont efficacement capables de bloquer A2A, plus puissamment dans le noir que sous illumination à la lumière bleue-violette (light-off) sur cellules. La plus puissante, l’azo-istradefyllineSB, a montré des résultats prometteurs sur la modulation de la douleur chez la souris. Concernant mGlu5, nous avons généré le premier modulateur allostérique (MA) positif photoswitchable, l’azoglurax, qui est plus puissant dans l'obscurité que sous la lumière UV dans les cellules. Ensuite, nous avons développé une série de MA négatifs photoswitchables ciblant le récepteur mGlu5, en utilisant le concept récent d’inversion de signe qui utilise un azobenzene ponté pour inverser la stabilité relative des deux isomères. De tels ligands sont idéalement inertes dans le noir et gagnent de l’activité avec la lumière (light-on), ce qui augmente considérablement leur potentiel thérapeutique. Parmi les molécules synthétisées, le diazoglurant a montré des propriétés photochimiques et photopharmacologiques uniques in cellulo, confirmant ses propriétés light-on. Comme prévue, l'activité du diazogluran est inversée par rapport à celle de l'alloswitch-1, un MA négatif du récepteur mGlu5 aux propriétés light-off. De manière prometteuse, le diazoglurant est actif in vivo, modulant la locomotion chez le poisson zèbre ou améliorant la mémoire à court terme dans un modèle murin de la maladie d'Alzheimer. Plus largement, il s'agit de la première application réussie du concept d'inversion de signe en photopharmacologie des RCPG. En résumé, au cours de cette thèse, nous avons enrichi la boîte à outils photopharmacologique pour les récepteurs A2A et mGlu5, en développant des ligands photoswitchables prometteurs qui peuvent être utilisés pour cibler précisément ces récepteurs et explorer leur potentiel thérapeutique.

Being able to manipulate endogenous biological targets with high spatiotemporal precision is of great interest for both fundamental and clinical research. This is the promise of the emerging field of photopharmacology that enables to control drug/target interactions by light, using synthetic drug-like photosensitive ligands. One strategy is to incoroporate into the ligand an azobenzene moiety that can be reversibly photoisomerized from trans to cis configuration, changing the overall 3D structure of the ligand and therefore affecting its binding/functional properties. The so-called photoswitchable ligands have then the ability to be switched ON and OFF with light. During this PhD project, we focused on two G protein coupled receptors of therapeutic interest, the adenosine receptor A2A and the metabotropic receptor mGlu5, which have been linked to several neurodegenerative and cardiovascular diseases, pain and cancer. Extensive preclinical data suggest a beneficial effect of targeting these two receptors to counteract the diseases. However, the widespread distribution of both mGlu5 and A2A receptors makes challenging the development of specifically targeted drugs and we are convinced that photopharmacology is an elegant way to achieve this. My PhD aimed at developing a specific photopharmacological program for mGlu5 and A2A receptors. The scientific tasks were carried out in two labs, the IQAC’s Medicinal Chemistry & Synthesis group, in Barcelona and the Institute of functional genomics (IGF) in Montpellier. The generation of these photopharmacological tools were made following the iterative succession of these steps: 1) The design and synthesis of photoswitchable ligands targeting mGlu5 and A2A receptors 2) Their photochemical characterization 3) Their photopharmacological characterization using cell-based assays or in vivo experiments in zebrafish. Regarding A2AR, we started by studying the photosensitive properties of the styril-xanthine istradefylline. We outlined that the reported slow conversion of istradefylline to the less active cis isomer can be fasten with violet light and that we can take advantage of this property to spatio-temporally switch-off istradefylline in cells or in vivo in zebrafish. Then, we decided to take istradefylline as scaffold to design photoswitchable antagonists using an azologization strategy. Among the 23 derivatives synthesized, five were efficiently able to block A2A more potently in the dark than under violet-blue illumination (light-off) in cells and showed promising results on the light-dependent modulation of pain in mice. Regarding mGlu5, we generated the first light-off photoswitchable positive allosteric modulator, azoglurax, which is more potent in the dark than under UV light in cells. Then, we developed a series of light-on photoswitchable ligands for mGlu5 receptor, using the recent concept of 'sign inversion' that uses bridged azobenzene to reverse the relative stability of the two isomers. Such ligands are ideally inert in the dark and gain activity with light, which increases considerably their therapeutic potential. To achieve this, we designed and synthesized a series of molecules. Among them, diazoglurant showed unique photochemical and photopharmacological properties in cellulo, acting as a selective light-on photoswitchable mGlu5 NAM. As expected, the diazogluran activity mirrors that of the light-off mGlu5 NAM alloswitch-1. Promisingly, diazoglurant is active in vivo, modulating locomotor behaviour in zebrafish or improving short-term memory in a mouse model of Alzheimer's disease. More broadly, this is the first successful application of the concept of 'sign inversion' in GPCR photopharmacology. In summary, during this PhD we have improved the photopharmacological toolbox for A2A and and mGlu5 receptors, developing promising photoswitchable ligands that can be used to precisely target these receptors and explore their therapeutic potential.