Préparation de bioconjugués par assemblage supramoléculaire : application à la construction de sondes pour la médecine nucléaire.

Preparation of bioconjugates by supramolecular assembly: application to the design of probes for nuclear medicine

• Auteur / Autrice : Zoé Bonnefoy
• Direction : Victor Goncalves, Franck Denat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne

Mots clés

Mots clés libres

Protéines

Chimie organique

Imagerie

Bioconjugaison

Proteins

Organic Chemistry

Imaging

Bioconjugation

Résumé

La médecine nucléaire s'est imposée comme un pilier de la médecine personnalisée, notamment en oncologie, tant dans le domaine du diagnostic, grâce à l'imagerie moléculaire (tomographie par émission de positons TEP ou tomographie par émission monophotonique TEMP), que de la thérapie à l'aide de radioisotopes émetteurs beta - ou alpha. Les composés radiopharmaceutiques sont généralement composés d'un vecteur biologique (petite molécule, peptide, anticorps monoclonal ou fragment d'anticorps) particulièrement affin d'une cible donnée, e.g. des récepteurs surexprimés à la surface de cellules cancéreuses, auquel est attaché l'élément radioactif. La présence d'un émetteur gamma ou beta + permet de visualiser les zones tumorales par imagerie TEMP et TEP respectivement ; le marquage avec un radioélément émetteur beta - ou alpha permet quant à lui de conférer à la biomolécule des propriétés thérapeutiques en détruisant sélectivement les cellules cibles grâce au rayonnement ionisant, selon le principe de radiothérapie interne vectorisée (RIV). Le radiomarquage par un radioisotope métallique nécessite dans un premier temps la conjugaison du vecteur à un agent chélatant bifonctionnel capable de coordiner efficacement l'ion métallique. En 2019, le composé 177Lu-DOTATE (Lutathera) a obtenu l'autorisation de mise sur le marché pour le traitement de tumeurs neuroendocrines et encore plus récemment, en mars 2021, les résultats de phase III ont démontré l'efficacité du radiopharmaceutique 177Lu- PSMA pour le traitement de patients atteints du cancer de la prostate. Ces deux succès très récents révolutionnent le monde de la médecine nucléaire et laissent présager un développement exponentiel de ces radiopharmaceutiques dans les prochaines années. Les chimistes ont un rôle crucial à jouer pour accompagner cette évolution en anticipant les besoins futurs de radiopharmaceutiques toujours plus performants. L'ICMUB possède déjà une longue expérience dans ce domaine, notamment dans la chimie des agents chélatants bifonctionnels, leur conjugaison sur divers vecteurs biologiques, en radiochimie et dans l'évaluation de ces composés in vitro et in vivo. La modification de protéines pose des problèmes spécifiques : ce sont des biomolécules complexes (elles possèdent de multiples fonctions réactives) et fragiles, qui ne peuvent être modifiées que dans des conditions réactionnelles douces (chimie dans l'eau, en conditions diluées, à des pH proches de la neutralité). Le marquage de protéines nécessite donc l'emploi de méthodes de conjugaison biocompatibles, chimiosélectives et rapides. Dans le cadre de cette thèse, nous développerons une stratégie originale de radiomarquage de protéines reposant sur l'autoassemblage de deux molécules organiques partenaires, capables de former quasi-instantanément en solution un complexe supramoléculaire extrêmement stable. Un des partenaires sera greffé sur une position précise de la protéine, tandis que l'autre sera lié à l'agent chélatant. Cet outil sera appliqué à la conception d'agents d'imagerie nucléaire de la fibrose, qui seront évalués sur des modèles de fibrose pulmonaire et de cancer du pancréas (collaboration avec le centre Georges François Leclerc à Dijon).

Nuclear medicine has established itself as a pillar of personalized medicine, particularly in oncology, both in the field of diagnosis, thanks to molecular imaging (positron emission tomography PET or single-photon emission tomography SPECT), and therapy using beta- or alpha-emitting radioisotopes. Radiopharmaceutical compounds are generally composed of a biological vector (small molecule, peptide, monoclonal antibody or antibody fragment) particularly affine for a given target, e.g. overexpressed receptors on the surface of cancer cells, to which the radioactive element is attached. The presence of a gamma or beta + emitter makes it possible to visualize the tumor areas by SPECT and PET imaging respectively; labeling with a beta- or alpha emitting radioelement makes it possible to confer therapeutic properties on the biomolecule by selectively destroying the target cells using ionizing radiation, according to the principle of vectorized internal radiotherapy (RIV). Radiolabeling with a metal radioisotope first requires the conjugation of the vector to a bifunctional chelating agent capable of effectively coordinating the metal ion. In 2019, the compound 177Lu-DOTATE (Lutathera) obtained marketing authorization for the treatment of neuroendocrine tumors and even more recently, in March 2021, phase III results demonstrated the efficiency of the radiopharmaceutical 177Lu- PSMA for the treatment of patients with prostate cancer. These two very recent successes are revolutionizing the world of nuclear medicine and suggest an exponential development of these radiopharmaceuticals in the coming years. Chemists have a crucial role to play in supporting this development by anticipating future needs for ever more efficient radiopharmaceuticals. ICMUB already has a long experience in this field, particularly in the chemistry of bifunctional chelating agents, their conjugation on various biological vectors, in radiochemistry and in the evaluation of these compounds in vitro and in vivo. The modification of proteins poses specific problems: they are complex biomolecules (they have multiple reactive functions) and fragile, which can only be modified under mild reaction conditions (chemistry in water, in dilute conditions, at pH close to neutral). Protein labeling therefore requires the use of biocompatible, chemoselective and rapid conjugation methods. As part of this thesis, we will develop an original protein radiolabeling strategy based on the self-assembly of two partner organic molecules, capable of forming an extremely stable supramolecular complex almost instantaneously in solution. One of the partners will be grafted onto a specific position of the protein, while the other will be linked to the chelating agent. This tool will be applied to the design of fibrosis nuclear imaging agents, which will be evaluated on models of pulmonary fibrosis and pancreatic cancer (collaboration with the Georges François Leclerc center in Dijon).