DÉVELOPPEMENT DE MOLÉCULES LIBÉRATRICES DE MONOXYDE DE CARBONE CONJUGUÉES À DES POLYSACCHARIDES POUR CIBLER LE TISSU ADIPEUX DANS L'OBÉSITÉ – SWEET-CO

Chimie. La synthèse des Glyco-CORM résulte du greffage de complexes métalliques carbonyles sur des molécules A et A1. Trois stratégies de synthèse ont été étudiées : (i) synthèse d'une molécule A fonctionnalisé capable de se coordonner directement sur des complexes carbonylés, (ii) modification d'une molécule A et installation sur le squelette polymérique d'un espaceur permettant le greffage de complexes carbonylés, (iii) synthèse d'un CO-RM dérivé de la pipérazine capable de se conjuguer avec une molécule A activé. Alors que les deux premières stratégies se sont avérées infructueuses ou limitées, la troisième a donné avec de bons rendements des conjugués dérivés des molécules A et A1, présentant diverses charges de CO-RM. De plus, la troisième stratégie a été appliquée avec succès à un composé sulfate qui est le médicament breveté fourni par le partenaire industriel OTR3. Biologie. Le test biologique et la caractérisation des nouveaux dérivés de CORMs synthétisés en collaboration avec le chimiste sont réalisés grâce à une série de méthodes qui nous permettent de : 1) évaluer la libération de CO des nouveaux composés in vitro en cuvette, en utilisant HemoCD1 et l'hémoglobine qui lient le CO avec une haute affinité et modifier leurs spectres d'absorption une fois liés au CO ; 2) déterminer la capacité des Glyco-CORM à provoquer une accumulation de CO dans les préadipocytes et les adipocytes. Dans ce test, nous utilisons une sonde qui lie avidement et spécifiquement le CO et qui modifie son absorbance spectrale une fois liée au CO, qui peut être mesurée par spectrophotométrie. Cette sonde, HemoCD1, est mise à la disposition du groupe de biologie grâce à une collaboration avec le Prof japonais Hiroaki Kitagishi de l'Université Doshisha de Kyoto, après avoir développé une méthode pour détecter le CO dans les cellules et les tissus ; 3) déterminer l'accumulation de CO en fonction du temps dans les organes/tissus les plus importants après administration orale de CORM-401 ; 4) évaluer si les Glyco-CORMs sont efficaces contre l'obésité, en utilisant un modèle de régime riche en graisses déjà établi dans notre laboratoire. Pour étudier les mécanismes d'action du CO dans l'obésité, nous nous sommes concentrés sur le microbiote intestinal, où nous avons observé une forte accumulation de CO lorsque les animaux recevaient du CORM-401. Le séquençage de l'ADN et de l'ARN du microbiote ainsi que l'analyse métabolomique d'échantillons plasmatiques et fécaux ont été réalisés en collaboration avec des plateformes de notre institut et de Paris.

Nous avons quantifié le CO libéré par nos composés et déterminé que les Glyco-CORM obtenus avec la 3ème stratégie étaient ceux libérant du CO avec une cinétique prédite. Les Glyco-CORM avec 25, 50, 75 et 100 % de carbonyles métalliques greffés sur du dextrane ont libéré du CO en quantités proportionnelles, par ex. GlycoCORM 100 % libérant environ le double de la quantité de CO que GlycoCORM 50 %. Nous avons constaté que le CO libéré était inférieur aux prévisions, un résultat probablement dû à un encombrement stérique lorsque le dextrane est lié à un très grand nombre de carbonyles métalliques. Cette première partie était importante pour déterminer le meilleur solvant pour obtenir une bonne solubilisation des nouveaux composés. En effet, le dextrane est soluble dans l'eau et le CORM-401 est soluble dans le DPBS. Cependant, le complexe GlycoCORM n'a pu être solubilisé que dans du DMSO (mais pas complètement). Nous avons travaillé à trouver des formulations qui permettent une solubilisation complète des composés, compte tenu des travaux in vivo dans des modèles murins de régime riche en graisses. Dans la caractérisation dans les préadipocytes et les adipocytes, nous avons également constaté que le CO intracellulaire augmentait fortement après incubation des cellules avec les Glyco-CORM. Les adipocytes avaient une forte rétention de CO et, si Glyco-CORMS était utilisé à de très faibles concentrations (=0,5 µM), ils n'affectaient pas la viabilité cellulaire. Dans une première série d'expériences in vivo où CORM-401 a été administré à des souris, nous avons montré que les niveaux de CO augmentaient significativement dans le foie, les reins, l'intestin et le tissu adipeux avec un pic à 6h et diminuant à des niveaux proches de la base à 24 ou 48h.

Nous avons aussi testé les glyco-CORMs et avons constaté qu'in vivo ils ne libéraient pas de grandes quantités de CO, ni dans le sang ni dans les tissus. Ceci est probablement dû à la grande taille des glyco-CORMs. Ils étaient encore relativement efficaces pour améliorer l'obésité et le dysfonctionnement métabolique induits par le régime alimentaire riche en graisses, mais ils n'étaient pas supérieurs au CORM-401 et étaient plus difficiles à utiliser. Les composés ne livraient pas non plus de CO spécifiquement au tissu adipeux. Nous avons alors décidé de nous concentrer sur le CORM-401, qui était finalement le composé le plus prometteur. En nous concentrant sur son effet sur le microbiote intestinal, nous avons démontré que le CO améliorait la diversité du microbiote intestinal des animaux soumis au régime gras, augmentant l'abondance d'espèces bactériennes, telles que Akkermanisa muciniphila, qui sont bénéfiques pour l'organisme mais sont fortement diminuées par le régime gras. Nous avons également montré que de nombreux métabolites dans le plasma et les fèces des animaux altérés pendant le régime gras, étaient améliorés par le CORM-401.

Les glyco-CORMS ont été synthétisés et testés avec des résultats bons mais pas supérieurs à ceux du CORM-401 original dans le modèle de souris obèse. Par conséquent, notre objectif est de continuer à utiliser le CORM-401 et de caractériser autant que possible ses propriétés positives anti-obésité dans l'organisme. Ce travail consistera à analyser ses effets dans les principaux organes métaboliques et à essayer de décortiquer la manière dont le CO prévient l'accumulation de graisse et le dysfonctionnement métabolique lors d'un régime riche en graisses. C'est en effet l'aspect le plus intéressant pour nous : comment les animaux qui suivent un régime riche en graisses peuvent-ils ne pas prendre de poids lorsqu'ils sont également traités avec le CORM-401 ? Comment le CO affecte-t-il le métabolisme dans l'organisme, d'un organe et d'un tissu spécifique à l'ensemble du corps ? De plus, comme nous avons découvert que le CORM-401 affecte de manière significative le microbiote intestinal, nous aimerions étudier plus en détail la manière dont le CO interagit avec ce système pour favoriser un résultat sain lors d'un régime riche en graisses.

Article: Highly sensitive quantification of carbon monoxide (CO) in vivo reveals a protective role of circulating hemoglobin in CO intoxication. Mao Q, Kawaguchi AT, Mizobata S, Motterlini R, Foresti R, Kitagishi H.. Communications Biology, 4(1):425, 2021.
Chapitre: Metal-based carbon monoxide-releasing molecules (CO-RMs) as pharmacologically active therapeutics. Roberta Foresti, Djamal Edine Benrahla, Shruti Mohan, Roberto Motterlini. In: Carbon Monoxide in Drug Discovery: Basics, Pharmacology, and Therapeutic Potential (B. Wang, and L. Otterbein Editors), Wiley Series in Drug Discovery and Development, by John Wiley and Sons, 2022.

Le monoxyde de carbone (CO), qui est produit dans les tissus par la protéine défensive inductible hème oxygénase-1 (HO-1), est un médiateur anti-inflammatoire et cytoprotecteur connu. Notre groupe a été un pionnier dans la découverte de molécules libérant du CO (CO-RMs) pour délivrer des quantités contrôlées de CO dans les systèmes biologiques et a confirmé leur applicabilité thérapeutique dans les maladies vasculaires, ischémiques et inflammatoires. Nous avons récemment publié que les CO-RM agissent comme des découpleurs de la respiration mitochondriale dans différents types de cellules. Dans ce contexte, nos données qui viennent d'être acceptées pour publication montrent que l'administration orale d'un porteur de CO à base de manganèse (CORM-401) stimule la perte de poids et neutralise l'altération du métabolisme chez les souris obèses via un mécanisme impliquant un découplage mitochondrial dans les tissus adipeux. Cet effet rappelle celui des agents de découplage connus pour induire une perte de poids. Étant donné que la délivrance de CO in vivo n’est pas spécifique, nous visons à synthétiser et à évaluer de nouvelles molécules qui dirigent le CO spécifiquement vers les adipocytes afin de maximiser l’efficacité des CO-RM. Pour y parvenir, nous proposons une stratégie visant à développer des CO-RM conjugués à des polysaccharides bioactifs connus pour améliorer la délivrance de médicaments au tissu adipeux. Nous désignerons ces nouvelles entités chimiques sous le nom de «glyco-CORMs».

Sur la base de nos données préliminaires, les principaux objectifs de ce projet sont les suivants:

1) synthétiser des glyco-CORMs en conjuguant des homologues de CORM-401 à des sucres bioactifs en vue de l'administration ciblée de CO dans le tissu adipeux;

2) caractériser in vitro les activités biologiques des glyco-CORMs en se concentrant sur leurs effets sur le métabolisme et l'inflammation des adipocytes;

3) évaluer in vitro et in vivo l'aptitude des glyco-CORMs à cibler préférentiellement les cellules adipeuses et les tissus;

4) évaluer l'efficacité des glyco-CORMs pour réduire le dysfonctionnement métabolique chez les souris obèses.

La réussite de ce projet reposera sur l’expertise et la collaboration synergique entre biologistes possédant une solide connaissance des effets pharmacologiques du CO/CO-RMs sur le métabolisme (Dr Foresti-Coordinator-Partner 1), des chimistes organiques ayant acquis une expérience de la synthèse de CO-RMs hybrides (Dr Rivard-Partner 2) et un partenaire industriel (CarboMimetics) ayant une longue expérience de la chimie du sucre et de la découverte de médicaments (Dr El Hadri-Partner 3). La synthèse de glyco-CORMs est un objectif réalisable car les Dr Foresti et Dr Rivard ont établi une collaboration de longue date basée sur la synthèse réussie de CO-RMs hybrides à des molécules bioactives à l'étude en tant qu'agents anti-inflammatoires. Le consortium appliquera des techniques de pointe développées pour étudier le rôle biologique du CO dans le métabolisme cellulaire (Seahorse Analyzer) et pour évaluer son accumulation préférentielle dans le tissu adipeux in vivo. De plus, pour nos futures applications translationnelles, nous travaillons en partenariat avec CarboMimetics, une société dédiée à la découverte et au développement de fragments de saccharides actifs entièrement synthétiques qui exercent une action thérapeutique contre le diabète et peuvent être conjugués à des CO-RMs. Bien que les CO-RMs aient des effets pharmacologiques incontestés, nous nous attendons à ce que les glyco-CORMs agissent spécifiquement sur le tissu adipeux, créant de nouvelles entités chimiques à appliquer dans le cadre de l'indication clinique définie de l'obésité et des dérangements métaboliques.