1  

Le fer de l’hème : cible pour la chimiothérapie des parasites hématophages

« Le fer dans tous ses états : passé, présent et futur », Paris, 3-4 décembre 2015

Anne Robert Laboratoire de chimie de coordination du CNRS, Toulouse

hématite

sidérurgie

Viaduc du Viaur, 1887

2  

Un homme adulte : 4 à 5 g de fer, à 70% dans l’hémoglobine

Concentration du fer dans le sang : 20 mM

3  

Le paludisme : une maladie parasitaire du sang

- 3 milliards de personnes exposées (transmission continue dans 97 pays). - 200-300 millions de personnes sont infectées chaque année. - Environ 500 000 (?) personnes décèdent chaque année. (C’est la troisième cause infectieuse de décès, après la tuberculose et le sida)

En rouge, les zones de résistance à la chloroquine.

4  

Le paludisme : maladie infectieuse provoquée par un parasite du genre Plasmodium

(P. vivax, P. ovale, P. malariae et P. falciparum)

Le parasite est transmis à l’homme par la piqûre d'un moustique du genre anophèle. Plasmodium envahit les globules rouges. La plupart des décès sont dus à Plasmodium falciparum : La prolifération du parasite dans les capillaires des organes profonds provoque des thromboses ; dans le cerveau encéphalite aiguë = neuro-paludisme

5  

P. falciparum utilise l’hémoglobine comme source d’acides aminés

Plasmodium digère les globines

acides aminés +

protéines parasitaires

 

 

 

 

L’hème-fer(II) est un déchet TOXIQUE pour Plasmodium

protéases parasitaires

Hémozoïne = agrégat hème-fer(III) NON TOXIQUE

agrégation

L’hème et son agrégation sont des cibles potentielles

N

N

N

NFe

H3CCH3

CH3H3C

COOHHOOC

Hémoglobine = protéine + hème Stress

oxydant

O2

6  

Les antipaludiques classiquessont des analogues de la quinine

N

NH N

Cl

N

HON

CF3

QuininePelletier and Caventou,

1820

Chloroquine (Nivaquine)

Méfloquine(Lariam)

N

HOH3CO

H N

H

Quinquina

Nota bene : antipaludiques, pas antipaludéens (le paludéen est le malade)…

7  

Artémisinine : un antipaludique efficace sur les souches chloroquino-résistantes

O

OCH3

OO

CH3

H3C

H

O

H

H

Composé extrait des feuilles d’Artemisia annua Utilisée dans la médecine traditionnelle chinoise (fièvre)

Youyou TU Prix Lasker-DeBakey, 2011,

Prix Nobel 2015

✔ La production est très dépendante des conditions climatiques… ✔ Des souches résistantes apparaissent (Thaïlande-Cambodge)…

Mécanisme d’action de l’artémisinine ? Réaction avec l’hème ?

Vers des antipaludiques synthétiques ?

L’artémisinine

O

O

O

cycle trioxane

8  

L’artemisinine réagit rapidement avec l’hème Les globules rouges contiennent de fortes concentrations de réducteurs (glutathion, NADPH, réductases, …) capable de réduire le fer(III) de l’hème en fer(II). L'hème-fer(II) est très réactif vis-à-vis des peroxydes.

1)  Activation du peroxyde de l’artémisinine par l’hème ? 2)  Formation d’un radical sur la position C4 ? 3)  Alkylation ?... De quoi ?

HCH3

CH3

O

O

O

H3CO

O

H

1

26

5a

45

7

3 8

9

8a

12

1011

12a

Fe(II)

OH3C O

4

O

hème-Fe

3

coupure homolytique

C3–C4OH3C

O

4O

hème-Fe

3

Radical alkylant ?

OH3C

O

4O

3

hème-Fe

H

OH3C

HO

4O

3

hème-Fe

Artémisinine

9  

L'hème est alkylé par l'artémisinine en positions meso :surtout α, β et γ (< 10% en δ)

A. Robert et al. J. A. C. S. 1997, 119, 5968; A. Robert et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 1954; A. Robert et al. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 167; S. Laurent et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2060.

O

O

OO

O

N

N

N

N O

O CH3

O

CO

H3C

CH2CH2HO

CH3H

HFe β

COOHHOOC

α

γ

δ

Artémisinine

Couplage covalent hème-artémisinine

Hème-fer(II)

i.  Activation réductrice O–O ii.  Homolyse C3–C4 iii.  Alkylation position meso

3

4

TA, 20 min, 85%

L’hème est à la fois l’activateur et la cible de l’artémisinine

10  

Chez la souris infectée et traitée : Les adduits hème-artemisinine sont présents - dans la rate (organe en charge de l’élimination des hèmes modifiées) - dans les urines Ces adduits sont absents chez les souris non-infectées et traitées.

A. Robert et al. PNAS, 2005, 102, 31676.

O

O

OO

O

OOC

OH3C

HOH

O

Fe

dans les globules rouges infectés

dans la rate

dans les urines

ü  métabolisme hépatique,

ü  excrétion

La présence de produits de couplage hème-drogue chez l’animal est liée 1)  à la présence du parasite, 2)  au traitement.

11  

Adduits hème-artémisinine : Quel rôle dans l’activité antipaludique ?

Les adduits hème-artémisinine sont : (i) incapables de polymériser en β-hématine => accumulation des adduits hème-artémisinine (ii) inhibiteurs de la polymérisation de l’hème en β-hématine => accumulation d’hème libre

C. Loup et al. Antimicrob. Agents Chemother. 2007, 51, 3768. B. Meunier et al. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1444.  

Une faible quantité d’artémisinine peut conduire à des adduits capables de produire, de manière catalytique, des radicaux libres par réduction de l’oxygène moléculaire.

Artémisinine Adduits hème-artémisinine

Hème libre

O2

« Radicaux libres » mort du parasite

12  

Molécules synthétiques actives ?

Remarques préliminaires : (i)  la bithérapie évite l’émergence rapide de souches résistantes (=> molécules

hybrides), (ii) la différence de pharmacocinétique de deux entités indépendantes peut être à

l’origine de difficultés en bithérapie (=> lien covalent entre les 2 entités).

Les trioxaquines, « molécules hybrides à activité duale »

« trioxaquine » = trioxane-linker-quinoléine

Les trioxaquines sont très actives sur les souches de Plasmodium falciparum chloroquino-résistantes.

O. Dechy-Cabaret et al., ChemBioChem. 2000, 1, 281 ; O. Dechy-Cabaret et al. brevet CNRS (2000); Robert et al. Acc. Chem. Res. 2002, 35,167 ; F. Bousejra-El Garah et al. Antimicrob. Agents Chemother. 2008, 52, 2966.  

trioxane quinoléine

pharmacophore n° 1 pharmacophore n° 2 linker

B. Meunier, Acc. Chem. Res. 2008, 41, 69.

13  

Trioxaquine PA1103, candidat médicament

F. Coslédan et al. PNAS 2008, 105, 17579.

HN

NCl

NH

O

O O

PA1103 – SAR116242 •  CI50 = 7 à 15 nM, y compris sur P. falciparum CQ-resistant, •  PA1103 est active sur des isolats cliniques (Afrique, Guyane), •  PA1103 est curative chez la souris à 64 mg/kg (4 doses, voie orale) sur souches

CQ-resistantes (comparaison : 54 mg/kg pour l'artesunate), •  Non mutagène (Ames), non cardiotoxique, •  Le projet « trioxaquine PA1103 » a été arrêté par Sanofi en 2010.

120 trioxaquines et trioxolaquines ont été préparées et évaluées in vitro (CI50) par Palumed entre 2003 et 2007. La trioxaquine PA1103 a été sélectionnée en janvier 2007 pour un développement pré-clinique réglementaire par Sanofi-aventis.

14  

D’autres parasites hématophages ont le même métabolisme de l’hème

par exemple, Schistosoma

15  

L’hème libre comme cible pharmacologique dans la bilharziose ?

Les schistosomes sont des vers hématophages : ils digèrent l’hémoglobine humaine. Comme dans le paludisme, l’hème libérée est polymérisée en hémozoïne.

Cristallisation de l’hème en hémozoïne

Schistosoma mansoni, femelle adulte Photo: J. BOISSIER, Perpignan.

Les peroxydes alkylants (artémisinine et trioxaquines)

sont-ils actifs contre les schistosomes ?  

La bilharziose (= schistosomiase) transmise à l’homme par un mollusque aquatique

200 millions de personnes sont infectées dans le monde. Plus de 200 000 morts par an. Un seul médicament –le praziquantel– utilisé depuis env. 40 ans.

Stades larvaires (schistosomules)  

âge des parasites (semaines)

16

Développement de Schistosoma mansoni chez la personne infectée

0 1 2 3 4 5 6 7

Stades adultes (schistosomes matures)  

Stades larvaires infectants (cercaires)  

mollusque aquatique

œufs  

pollution des eaux  

Périodes choisies pour traiter les vers in vitro

17

Action de la trioxaquine PA1259 sur Schistosoma mansoni (femelles adultes)

PA1259 est active sur les stades larvaires et adultes à 5-50 mg/mL

Vers contrôle

hémozoïne dans l'intestin (parois de l'intestin bien définies)

Traités avec PA1259

Photos: J. BOISSIER, Perpignan

hémozoïne décolorée (parois détruites)

HN NH

OO

O

NCl

J. Boissier et al., Antimicrob. Agents Chemother. 2009, 53, 4903 ; V. Pradines et al., Antimicrob. Agents Chemother. 2011, 55, 2403.

Trioxaquine PA1259

18  

Chez la souris :Trioxaquine PA1647 + praziquantel :

potentialisation de l’activité anti-schistosomeeffet synergique notoire pour un rapport 50/50

L’association 50/50 de la trioxaquine PA1647 (sel de PA1259) et du praziquantel est très efficace sur les formes larvaires de S. mansoni.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

100%+PZQ 75PZQ/25TXQ 50PZQ/50TXQ 25PZQ/75TXQ 100%TXQ

J. Portela et al., Plos Neglected Dis. 2012, 6, e1474 ; S. Thétiot-Laurent et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7936.

HN NH

OO

O

NCl PA1647 = sel de PA1259

• 2 H3PO4

% de mortalité des larves in vivo, 4 doses (mg/kg) en un jour

Lac Victoria, Afrique La bilharziose, ici,

et aussi, là

Rivière  Cavu,  Corse,  

2011-­‐2013  

Tout peut revenir….

Remerciements

20

Chimie Mécanisme d'action Jérôme CAZELLES (PhD 2000) Sophie LAURENT (PhD 2006) Fatima BOUSEJRA-El GARAH (PhD 2010) Vincent PRADINES (Post-doc. 2009-2010) Monserrat RODRIGUEZ (Post-doc. Espagne) Katalin SELMECZI (Post-doc. Hongrie) Synthèse de trioxaquines Odile DECHY-CABARET (PhD 2001) Christophe LOUP (IE CNRS) Jérôme CAZELLES Frédéric COSLÉDAN (Palumed) Christine SALLE Michel NGUYEN (Palumed, puis LCC-CNRS) Etudes antérieures sur des molécules anti-schistosomiase Sophie LAURENT (PhD Palumed-CNRS, 2006) Collaborations académiques Jean-François MAGNAVAL, Jean-Paul SÉGUÉLA, Antoine BERRY (CHU Toulouse-Rangueil) Peter KREMSNER (Lambaréné, Gabon) Daniel DIVES (Inserm, Lille) Dominique MAZIER (Inserm, Paris) Avec Sanofi-aventis Jean-Pierre MAFFRAND, Laurent FRAISSE, Alain PELLET

Activité biologique Paludisme Françoise BENOIT-VICAL (DR Inserm, Toulouse) Joël LELIÈVRE (PhD) Frédéric COSLÉDAN Carine AUGE Angélique ERRAUD (Palumed) Céline BERRONE Camille ROUANET Katia JONOT Schistosomiase (UMR CNRS-UPVD 5244) Jérôme BOISSIER (MC Univ. de Perpignan) Benjamin GOURBAL (MC Univ. De Perpignan) Julien PORTELA (ANR, 2009-2010) Aide technique Synthèse Sonia KITOUNE, Christine SALLE (Palumed) Microscopie électronique Vincent COLLIERE (LCC-CNRS) Bernard DEJEAN (UMR 5244)

Financement CNRS, PALUMED, ANR, CHU Rangueil, Inserm, Région Midi-Pyrénées, EU-Antimal.

 

Bernard MEUNIER LCC-CNRS, Toulouse, depuis 1995 ; Palumed, 2006-2011.