Synthèse et évaluation de nouveaux ligands du cuivre (I) pour de la thérapie par chélation dans le contexte de la maladie d'Alzheimer

Synthesis and evaluation of new Cu(I) ligands in the context of Alzheimer's disease

• Auteur / Autrice : Clément Rulmont
• Direction : Charlène Esmieu, Christelle Hureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Biologie, Santé
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Ewen Bodio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Hureau, Christian Lherbet, Nicolas Leconte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascale Delangle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alzheimer, Maladie d'

Ions métalliques

Cuivre

Mots clés libres

Alzheimer

Cuivre

Ligands

Synthèse

Ligands

Copper

Alzheimer

Synthesis

Résumé

La maladie d’Alzheimer (MA) est une pathologie multifactorielle complexe et dévastatrice, dont on ne connait toujours pas les causes et pour laquelle aucun traitement curatif n’est disponible. Elle représente environ 80% des cas de démence. Connue depuis 115 ans, elle touche un nombre constant de personnes ce qui en fait une priorité de santé publique ; cependant sa complexité freine la découverte de traitements. L’un des signes caractéristiques de la MA est l’accumulation de plaques amyloïdes dans le cerveau, composées de peptides amyloïde béta (A&dièse946;) ayant la capacité de s’auto-assembler. Cette agrégation est à l’origine de l’une des hypothèses pour expliquer la maladie : la cascade amyloïde. Les plaques amyloïdes contiennent une grande quantité d’ions, cuivre, fer et zinc, ce qui a conduit les chercheurs à étudier le rôle de ces ions métalliques dans le développement de la maladie. De nombreuses recherches ont démontré l’implication des ions métalliques dans la cascade amyloïde, ils peuvent moduler l’agrégation du peptide A&dièse946; et pour l’ion cuivre redox actif il participe à la production des espèces réactives de l’oxygène (ERO) en présence de dioxygène et d’un réducteur tel que l’ascorbate, créant des zones d’inflammation et conduisant in fine à la mort neuronale. De façon plus générale, une mauvaise régulation des ions cuivre est observée dans le cerveau des malades. Depuis 20-30 ans l’une des stratégies envisagées pour traiter cette maladie est l’utilisation de chélateurs de l’ion cuivre afin d’éviter la formation du complexe Cu(A&dièse946;) responsable de la production d’ERO. Les chélateurs décrits dans la littérature ciblent presque exclusivement l’ion cuivre CuII. Cette stratégie n’a pour le moment abouti à aucun traitement. Les meilleurs chélateurs du CuII décrit à ce jour ont échoué en phase clinique, la plupart d’entre eux rencontrent des problèmes de sélectivité liés à la présence d’autres ions métalliques tel que le Zn.A partir des études reportées dans la littérature, on peut déduire les critères prérequis pour avoir un chélateur efficace. Il doit former un complexe redox inerte avec le Cu, il doit être capable de retirer le Cu du complexe Cu(A&dièse946;), il doit se lier au cuivre rapidement, il doit être sélectif du cuivre versus les autres ions. Face aux limites des chélateurs de CuII existants, une approche novatrice a été adoptée dans le cadre de ce projet de thèse. Cette approche consiste à concevoir des chélateurs sélectifs du CuI. Au cours de cette thèse, six chélateurs, conçus de façon rationnelle, ont été synthétisés pour se lier sélectivement au CuI. La synthèse multi-étapes des chélateurs implique des réactions classiques de chimie organique, dont certaines ont été réalisées par activation micro-ondes. Ces ligands contiennent une amine et des groupements thiol et/ou thio-ether au sein de leur cavité de chélation. La résistance à l’oxydation de ces ligands a été étudiée ainsi que leur capacité à chélater les ions CuI, CuII et ZnII. Les complexes formés ont été caractérisés. Des chélateurs présentant une très bonne sélectivité vis-à-vis du CuI par rapport au ZnII ont été obtenus. Certains chélateurs sont capables de retirer le CuI et le CuII des complexes Cu(A&dièse946;) et d’arrêter la production d’ERO associée.

Alzheimer's disease (AD) is a complex and devastating multifactorial pathology, with unknown causes and no cure available. AD accounts for around 80% of all cases of dementia. Known for 115 years, AD affects a constant number of people, making it a public health priority, but its complexity hinders the discovery of treatments. One of the characteristic signs of AD is the accumulation of amyloid plaques in the brain, made up of amyloid beta (A&diese946;) peptides with the ability to self-assemble. This aggregation is at the centre of one of the hypotheses to explain the disease: the amyloid cascade. Amyloid plaques contain large quantities of copper, iron and zinc ions, which has led researchers to study the role of these metal ions in the development of the disease. Numerous studies have demonstrated the involvement of metal ions in the amyloid cascade: they can modulate the aggregation of the A&diese946; peptide, and the redox-active copper ion is involved in the production of reactive oxygen species (ROS) in the presence of oxygen and a reducing agent such as ascorbate, creating areas of inflammation and ultimately leading to neuronal death. More generally, copper ions dyshomeostasis is observed in the brains of patients.For the past 20-30 years, one of the strategies being considered to treat this disease is the use of copper ion chelators to prevent the formation of the Cu(A&diese946;) complex responsible for the ROS production. The chelators described in the literature almost exclusively target the CuII copper ion. This strategy has not yet led to any treatment. The best CuII chelators described to date have failed in the clinical phase, and most of them have selectivity problems linked to the presence of other metal ions such as ZnII. From the studies reported in the literature, we can deduce the prerequisites for an effective chelator. It must form an inert redox complex with Cu, it must be capable of removing Cu from the Cu(A&diese946;) complex, it must bind to copper rapidly, and it must be selective for copper versus other ions. Faced with the limitations of existing CuII chelators, an innovative approach was adopted as part of this thesis project. This approach involves designing chelators that are selective for CuI. During this thesis, rationally designed chelators were synthesised to bind selectively to CuI. The multi-step synthesis of the chelators involves classical organic chemistry reactions, some of which have been adapted for microwave activation. These ligands contain an amine and thiol and/or thio-ether groups within their chelating cavity. The oxidation resistance of these ligands was studied, as well as their ability to chelate CuI, CuII and ZnII ions. The complexes formed were characterised. Chelators with very good selectivity towards CuI compared to ZnII were obtained. Some chelators are able to remove CuI and CuII from Cu(A&diese946;) complexes and stop the associated ROS production. The impact of these chelators on ROS production was also assessed in the presence of ZnII. Two of the chelators synthesised were able to stop the Cu(A&diese946;)-generated ROS production in the presence of excess ZnII by forming an inert redox CuI complex. The most effective chelator was coupled to a fluorophore and the ability of this new ligand to chelate CuI and CuII ions was investigated. Unexpectedly, this ligand forms a 2:1 ligand:CuI complex but remains capable of stopping Cu(A&diese946;)-induced ROS production. These results open up new perspectives in the field of chelation therapy for Alzheimer's disease, using CuI-selective ligands.