Blanc SIMI 7 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique

Etude translationelle des particularités mécanistiques des ferrocifènes et analogues. – MECAFERROL

Chimie Médicinale Organométallique: apprivoiser les propriétés oxydo-réductrices du fer pour mettre au point de nouvelles armes contre des cancers incurables à ce jour.

La plupart des molécules utilisées actuellement en chimiothérapie opèrent par alkylation de l'ADN conduisant à l'apoptose des cellules cancéreuses. Mais l'on ne dispose pas de molécules efficaces sur les cellules résistantes à l'apoptose qui sont présentes dans les tumeurs des cancers incurables. L'idée de ce projet est de mettre au point des complexes efficaces et actifs via une autre de voie de mort cellulaire (sénescence par exemple)

Synthèse et étude biologique de complexes organométalliques cytostatiques opérant via un mécanisme d'action original. Mise au point d'une formulation adpatée à leur étude in vivo

La chimie bioorganométallique des métaux de transition se définit comme l’étude de l’apport des complexes organométalliques, en mettant à profit leur comportement chimique particulier, pour résoudre des problèmes d’intérêt biologique. C’est dans ce cadre que le développement d’une chimie médicinale organométallique peut s’avérer déterminant, en raison des propriétés nouvelles des entités accessibles. Nous avons ainsi pu changer de paradigme en mettant à profit l’exaltation des effets antitumoraux des polyphénols connus pour leur effet antioxydant protecteur, à l’aide d’une antenne redox organométallique. Nous avons par exemple montré que des molécules possédant le motif (ferrocène – espaceur insaturé – paraphénol) étaient 60 à 500 fois plus efficaces pour empêcher la prolifération de cellules cancéreuses que leurs correspondants organiques. De plus, nous avons trouvé que ces molécules étaient actives in vitro sur des lignées de cancer résistantes à l’apoptose (mélanome, glioblastome par exemple) et en conséquence, difficiles à traiter. En outre, plusieurs éléments militent en faveur d’un mécanisme biologique original de ces complexes. Le but de ce projet est de fédérer les compétences complémentaires de chimistes, biologistes et galénistes pour répondre aux objectifs suivants (1) rechercher des structures encore plus efficaces que celles déjà décrites (2) chercher à élucider leur mécanisme d’action (3) obtenir des résultats in vivo après mise au point de la formulation de ces molécules hydrophobes. <br />L’idéal serait que l’innovation représentée par cette nouvelle famille de composés retienne l’attention d’industriels qui prendraient en charge leur développement en fin de phase pré-clinique.

Partie chimique du projet : cette recherche appartient au domaine de la chimie bioorganométallique, une thématique dans laquelle l’équipe du porteur du projet (S. Top) jouit d’une compétence largement reconnue sur le plan international. Il s’agit de molécules possédant un atome de métal, ici du fer (II), directement lié à des atomes de carbone. Les propriétés oxydo réductrices originales du fer ouvrent la voie à une réactivité unique de ces molécules, en particulier en présence de ROS (reactive oxygen species), des espèces engendrées en plus grande quantité dans les cellules cancéreuses.
Partie biologique : les effets antiprolifératifs des nouveaux complexes sont étudiés par des méthodes classiques de croissance cellulaire sur différentes lignées cellulaires. A ce stade du projet, nous avons choisi de travailler sur des lignées cellulaires résistantes à l’apoptose puisqu’elles représentent les cancers pour lesquels il n’existe pas actuellement de solutions thérapeutiques satisfaisantes. Nous avons également eu accès à une salle de vidéomicroscopie qui permet de suivre l’évolution des cellules traitées dans des boites de culture. La partie élucidation des mécanismes d’actions est réalisée par des tests de cytométrie de flux et westerns blots dans lesquels les protéines d’intérêt sont révélées par des anticorps spécifiques.
Partie galénique : les complexes organométalliques les plus actifs in vitro sont des polyphénols dont la durée de demi-vie dans l’organisme est très court (environ 1/2h lorsqu’ils sont injectés par voie intra-veineuse). Il s’agit de plus de molécules hydrophobes insolubles en milieu aqueux. La voie retenue pour leur administration a été une formulation dans des nanocapsules lipidiques, constituées d’un cœur lipophile dans lequel le principe actif est solubilisé qui est entouré d’un surfactant, une molécule de polyethylene glycol (PEG) ayant une tête hydrophobe et une queue hydrophile.

1- Mise en évidence du fort effet antiprolifératif de certains dérivés ferrocéniques sur des lignées cellulaires présentant des résistances aux stimuli pro-apoptotiques.
2- Mise en évidence de leur effet cytostatique et non cytotoxique et de l’induction majoritaire de sénescence et dans certains cas d’autophagie.
3- Mise au point des conditions d’encapsulation de quantités efficaces de complexes ferrocénique dans des nanocapsules lipidiques. Démonstration de la possibilité d’obtenir un ciblage actif par adsorption à leur surface d’un peptide interagissant avec les cellules de gliome de rat 9L.
4- Deux types d’études in vivo ont été réalisées avec succès :
4.1- traitement du gliome du rat (cellules 9L) par administration intra-carotidienne des nanocapsules chargées en P5 et décorées par le peptide pré-cité avec observation d’une augmentation importante de la survie chez un pourcentage représentatif d’animaux.
4.2- Traitement de souris « nude » porteuses de xénogreffes de cellules de cancer du sein hormono-indépendant (cellules MDA-MB-231 d’un cancer du sein triple négatif) par injection intra-péritonéale de nanocapsules lipidiques chargées en P15 et observation d’un ralentissement significatif de la croissance tumorale.

A ce stade du projet, nous avons montré que plusieurs complexes de la famille des ferrocifènes sont très actifs sur des lignées de cancer du sein résistantes à l’apoptose et que leur mécanisme d’action diffère de celui des molécules de référence du NCI (national cancer institute). Les résultats les plus récents semblent de plus indiquer que ces complexes agissent via des mécanismes d’action différents.
Deux de ces complexes ont permis d’obtenir des résultats in vivo très intéressants.
Nos objectifs pour les derniers mois de ce contrat sont de préciser les mécanismes d’actions de ces molécules et d’essayer de trouver une structure pour continuer le développement pré-clinique de cette famille de molécules prometteuses.

1. Lainé A.-L., et al. Eur. J. Pharmaceut. Biopharmaceut. 81, 690-3, 2012

2. Pigeon P., et al. New Journal of Chemistry, 35, 2212-2218, 2011

3. Lainé A.-L., et al. 2011. In Brain Tumors: Convection-Enhanced Delivery of Drugs (Method) (Chap. 21). Tumors of the central nervous system (Vol.3) Brain tumors ( part 1) Hayat, M.A. p.207-216, 2011

4. Görmen, M., et al.
Organometallics 31, 5856-5866, 2012

5. Lainé A-L, Passirani C.
Current Opinion in Pharmacology, 12, 420-426, 2012

6. Laine A-L, et al.
Eur. J. Pharmaceut Biopharmaceut. 81, 690-693, 2012

7. Laine A-L, et al.
Biomaterials, 34, 6949-6956, 2013

8. Vessières A.
Metal carbonyl tracers and the ferrocifen family : two facets of bioorganometallic chemistry
J. Organomet. Chem. 734, 3-13, 2013

Les complexes de coordination du platine sont à ce jour parmi les agents antinéoplasiques les plus utilisés puisque, seuls ou en association, ils interviennent dans plus de 70 % des traitements anticancéreux. Ces composés présentent cependant plusieurs inconvénients en raison de leur toxicité générale élevée, de l’acquisition de résistance, de problèmes rénaux, mais aussi de leur spectre d’efficacité encore trop étroit. Pour tenter d’y remédier une chimie du Ruthénium a été développée avec des promesses réelles de succès. L’essentiel des complexes actuellement utilisés en clinique opère par alkylation de l’ADN conduisant à l’apoptose des cellules cancéreuses.
En fait, le mécanisme d’action de ces espèces porte en lui-même les limites de leur efficacité. Qu’en est-il en effet lorsque la voie apoptotique est inopérante dans les cellules que l’on cherche à traiter, ce qui peut être le cas pour des cancers dont le pronostic est sombre actuellement : cerveau, pancréas, poumons (certaines formes), ovaires, sein (forme hormono-indépendante) ? Il importe alors de rechercher un angle d’attaque nouveau.
C’est dans ce cadre que le développement d’une chimie médicinale organométallique peut s’avérer déterminant, en raison du comportement original des entités alors accessibles. Nous avons pu ainsi changer de paradigme en mettant à profit l’exaltation des propriétés antitumorales des polyphénols, connus pour leurs effets antioxydants protecteurs, à l’aide d’une antenne redox organométallique. Des gains en efficacité des valeurs d’IC50 de l’ordre de 60 à 500 fois sont devenus accessibles in vitro, sur cellules cancéreuses, alors que les cellules saines ne sont pas affectées à ces basses concentrations. Pour rendre les composés efficaces, le motif [ferrocène – espaceur – para phénol] semble indispensable. Le ferrocène paraît agir comme un catalyseur pour l’oxydation intramoléculaire facilitée du phénol conduisant à la production aisée de quinones méthides dont nous avons prouvé la formation, la structure et le comportement électrophile (Angew. Chem. Int. EA., 2006, 45, 285 et 2009, 48, 9124). Le comportement inhabituel obtenu sur MDA-MB231 a été confirmé sur d’autres types de cellules cancéreuses de la prostate, du colon, gliome, mélanome, etc (60 lignées testées par le NIH aux Etats-Unis).
Des études préliminaires, sur le mode d’action de ces entités ont montré qu’elles n’opèrent pas via une alkylation de l’ADN, à la différence de la famille du cis-platine. Plusieurs éléments militent en faveur d’un mécanisme biologique original reposant sur des phénomènes divers tels que : la production de ROS, l’arrêt du cycle cellulaire en S/G2/M, la quasi absence d’apoptose, la mise en évidence de sénescence, ou encore la vacuolisation des cellules. En outre l’effet observé est ERalpha indépendant et ni ERß ni GPR 30 n’opèrent,. Nous proposons donc de synthétiser des molécules encore plus efficaces et de développer des outils pour élucider leur mécanisme d’action tant chimique que biologique. Nous prévoyons également de les encapsuler au sein de vecteurs nanoparticulaires afin d’envisager des administrations in vivo. La formulation des phénols organométalliques n’est pas triviale mais nous a déjà donné quelques satisfactions pour ce qui concerne sa faisabilité et son efficacité.
Un mécanisme alternatif et nouveau pour les métallo-drogues ouvrirait de nouveaux horizons et donnerait un souffle tant espéré pour ce domaine si riche, dynamique et foisonnant. A terme, il procurerait aussi de nouveaux outils aux cliniciens.

Coordinateur du projet

Monsieur Siden TOP (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR EST) – siden-top@chimie-paristech.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UMR 7223 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR EST
INSERM U-908 UNIVERSITE DE LILLE I [SCIENCES ET TECHNOLOGIES]
INSERM-U-646 UNIVERSITE D'ANGERS

Aide de l'ANR 479 999 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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