Ayant conscience de la nécessité de développer de nouvelles alternatives pour le traitement des infections causées par des bactéries résistantes, notre groupe a tout d’abord mis au point de nouvelles méthodes de synthèse permettant l’obtention d’aminoglycosides amphiphiles à partir de la néamine et de la paromamine (AAGs). De tels dérivés ont ainsi montré une activité prometteuse contre les bactéries Gram (+) et Gram (-) sensibles et résistantes exprimant des résistances de différents types (figure 4).34.
L’introduction de chaînes alkyles lipophiles sur les aminoglycosides les protègent d’une part, des modifications enzymatiques conduisant à des résistances et, d’autre part en changent complètement le mode d’action qui devient externe limitant ainsi l’émergence de résistances. 34
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Parmi les composés synthétisés portant des groupements 2-naphtylméthyl (2NM), les dérivés dialkylés ou trialkylés XI, XII et XV de la néamine se sont tout d’abord révélés fortement actifs contre les souches de S. aureus sensibles et résistantes, y compris le MRSA et VRSA contre lesquels la néomycine B qui est totalement inactive. Lors d'un essai contre les organismes Gram (-) sensibles ou résistants, seul le dérivé trialkylé XV s’est montré prometteur. 34
L'analyse des relations structure-activité biologique a ainsi montré que les dérivés monoalkylés VII-X et tétra-alkylé XVI n’ont pas d'activité antibactérienne. En revanche, les composés di ou tri-alkylés XI, XII et XV sont actifs. Parmi les dérivés dialkylés XI et XII ont été les plus actifs contre S. aureus. Le remplacement du groupe 2NM dans la structure XII par un groupe benzyle, 2-pyridinylméthyle (2PyM) et de 2-quinolylméthyle (2QM) conduit à une perte d'activité antimicrobienne. Seul le dérivé XV est actif contre les bactéries Gram (+) et Gram (-). D’autre part, la présence de trois groupes 2NM semble être nécessaire pour une activité antimicrobienne contre les bactéries Gram (-). Leur remplacement par des groupes benzyle 2NM, 2PyM ou 2QM a également conduit à une perte totale de l’action antibiotique. 34
D'après ces données, on peut en déduire que la structure chimique et le nombre de substituants sont des paramètres essentiels pour l'activité biologique de cette classe de composés. 34
Fig. (4) Structure des nouveaux dérivés de néomycine synthétisés en 2010
En 2013, Zimmermann et al. ont décrit la synthèse de dérivés naphtylméthylés (NM) de la paromamine qui ont une fonction amine de moins que les dérivés de la néamine correspondants en raison du remplacement de la fonction 6'-amine du cycle II dans la néamine par un groupe hydroxyle dans la paromamine (Figure 5). 18 Les dérivés de la néamine se sont ainsi montrés un peu plus efficaces que les dérivés de paromamine.
La synthèse de ces dérivés a été réalisée en 3 étapes : (i) protection des fonctions amines et de la fonction alcool primaire de la paromamine par tritylation, (ii) alkylation avec un dérivé halogéné et (iii) détritylation en présence de TFA.7,10,44
Premièrement les activités antibactériennes de la paromamine (Par) et des dérivés néamine correspondants (Nea) portant deux ou trois groupes 1NM et 2NM (Figure 2) on été comparées contre les souches sensibles et résistantes de S. aureus (Tableau 2) et les bactéries Gram négatives.
R3O H2N NH2 OR4 O O NH2 R1O R2O OH 2NM = Neamina, R1 = R2 = R3 = R4 = H (VII) R1 = R2 = R3 = R4 = 2NM (VIII) R1 = 2NM, R2 = R3 = R4 = H (IX) R1 = R2 = R4 = H, R3 = 2NM (X) R1 = R2 = R3 = H, R4 = 2NM (XI) R1 = R2 = 2NM, R3 = R4 = H (XII) R1 = R3 = H, R2 = R4 = 2NM (XIII) R1 = R3 = 2NM, R2 = R4 = H (XIV) R1 = R4 = 2NM, R2 = R3 = H (XV) R1 = R2 = R4 = 2NM, R3 = H (XVI) R1 = R2 = R3 = R4 = 2NM 3' 4' 6 5
Fig. (5) Structure des dérivés naphtylméthyl paromamine (13-16) et néamine (17 et 18) préparés.
D’autres dérivés alkylés ont ensuite été synthétisés pour mettre en évidence des composés dialkylés très actifs contre les bactéries Gram (+) et Gram (-) sensibles ou résistantes comportant des chaînes 3’,6-dinonyle (diNn), 3’,6-(di-2-naphtyl)-propyle (di2NP) et -butyle (di2NB) (Figure 6).
Fig. (6) Structure des dérivés amphiphiles de la néamine de deuxième génération synthétisés (34-39 et 41-43)
Parmi les quatre dérivés synthétisés portant deux chaînes linéaires 37-40 (Bu, Hx, Nn et ocD, respectivement), seul le dérivé 3 ',6-dinonyl (Nn) 39 a montré une bonne activité contre les souches S.
aureus sensibles et résistantes ainsi que contre les bactéries Gram (-) sensibles ou résistantes contre
lesquelles les dérivés 3',6-diBu (37), diHx (38) et diocD (40) se sont avérés inactifs.
Ainsi, parmi les dérivés préparés, 3', 6-di2NP (34) et 3 ', 6-di2NB (35) sont les plus actifs contre les souches de S. aureus susceptibles et résistantes. Le dérivé 3', 6-diNn (39) semble être légèrement moins actif. Contre les bactéries Gram (-) sensibles et résistantes, le dérivé le plus actif est le dérivé 3',6-diNn (39), les dérivés 3′,6-di2NB 34 et 35 ayant montré des activités proches mais plus faibles. En ce qui concerne les activités des dérivés 3',4',6-trialkylés de la néamine, les dérivés tri2NM (5) et triHx (44) sont actifs contre les souches de S. aureus sensibles et résistantes ainsi que contre les bactéries Gram (-). Cependant, ces composés sont moins actifs contre les bactéries Gram (+) que les dérivés 3 ',6-dialkylés les plus actifs et surtout plus cytotoxiques.
La lipophilie globale des dérivés (et des chaînes alkyles) s’est avéré un paramètre essentiel pour une bonne activité avec des fenêtres de lipophilie optimales très proches observées à la fois en série di- et tri-alkyl. Pour une même lipophilie, le passage de la série tri-alkyl à la sérié di-alkyl a permis de diminuer la cytotoxicité mesurée probablement en permettant une meilleure sélectivité pour les membranes bactériennes plus riches en phospholipides anioniques (Figure 7).45–47
HO H2N NH2 OR O O NH2 HO RO NH2 34: R = 2NP, 35: R = 2NB 36: R = 2NH 37: R = Bu, 38: R = Hx 39: R = Nn, 40: R = ocD 3' 6 HO H2N NH 2 OR O O NH2 RO RO NH2 41: R = 2NP 42: R = 2NB 43: R = Bu, 44: R = Hx 3' 6 4' HO H2N NH2 OR1 O O X R3O R2O NH2 1NM =
X = OH, série paroamine
13: R1 = R2 = 2NM, R3 = H; 14: R1 = R2 = R3 = 2NM 15: R1 = R2 = 1-naphthylmethylene (1NM), R3 = H 16: R1 = R2 = R3 = 1NM X = NH2, série neamine 17: R1 = R2 = 1NM, R3 = H 18: R1 = R2 = R3 = 1NM 4' 6 3'
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Fig. (7) Viabilité (en pourcentage) de macrophages de J774 murins en présence des dérivés de
3',6-dialkylnéamine (triangles gris) et 3',4 ',6-trialkyl (carrés noirs) à 10 microM après 24 h d'incubation (moyenne de trois expériences) en fonction de la lipophilie des dérivés calculée (clogP). Les dérivés trialkylés sont 43 (triBu), 10 (triBn), 44 (triHx), 5 (tri2NM), 41 (tri2NP) et 42 (tri2NB), et les dérivés dialkylés (diBu), 38 (diHx), 7 (di2NM), 39 (diNn), 34 (di2NP), 35 (di2NB) et 36 (di2NH). Les lignes pointillées verticales montrent les limites de clogP entre lesquelles des activités antibactériennes peuvent être observées contre les souches de S. aureus et / ou P. aeruginosa sensibles ou résistantes. 18
En conclusion, ce travail a permis de déterminer du nombre optimal de substituants lipophiles à fixer à la néamine ainsi que la lipophilicité optimale correspondante nécessaire pour obtenir de bons effets antibactériens. La diminution du nombre de groupes lipophiles portés par la néamine devrait permettre un ciblage plus sélectif des membranes bactériennes par rapport aux membranes eucaryotes à travers des interactions plus favorables avec les phospholipides anioniques des membranes.
Une troisième étude du mode d’action des dérivés amphiphiles de la néamine synthétisés publiée en 2013 a confirmé la forte interaction avec les lipopolysaccharides bactériens (LPS) des dérivés 3’,6-dialkylés de la néamine les plus actifs en particulier du 3’,6-dérivé dinonyl et leur capacité à perméabiliser la membrane externe bactérienne (OM) de P. aeruginosa en comparaison avec la néamine et d’autres aminoglicosides conventionnels (Figure 8). Pour mieux comprendre le mécanisme impliqué dans la perméabilisation de l'OM et les interactions avec les LPS, ils ont étudié l'effet des dérivés de la néamine sur la taille, la fluidité et la surface moléculaire moyenne de micelles de LPS.48
Fig. (8) Structures et lipophile calculée (valeurs de clogP) de la néamine et des dérivés amphiphiles synthétisés.
HO H2N NH2 OR O O NH2 R' ORO NH2 3' 6 + + + + 4' 4 CF3CO-2 R' = R = H : neamine (cLogP = -19.4) R' = R = : 3',4',6-tri2NM (cLogP = -9.3) R' = H; R = : 3',6-di2NM (cLogP = -12.7) R' = H; R = : 3',6-di2NP (cLogP = -11.4) R' = H; R = : 3',6-di2NB (cLogP = -10.8) R' = H; R = (CH2)8CH3 : 3',6-di2Nn (cLogP = -12.3) (CH2)3 (CH2)4
Ils ont ainsi démontré l'importance des interactions électrostatiques avec les groupes phosphates des LPS ainsi que celle des effets hydrophobes liant les groupes lipophiles de dérivés de néamine amphiphiles et les chaînes alkyles du lipide A du LPS. Les interactions des dérivés amphiphiles de la néamine avec le LPS pourraient expliquer leur activité antibactérienne, en particulier contre les souches de P. aeruginosa (Fig.9) résistantes à la colistine qui est l’un des antibiotiques de dernier recours contre cette bactérie. En effet, ces bactéries résistantes se caractérisent par un état hautement ordonné des LPS, une réduction de la charge négative nette du lipide A et la présence d'une chaîne acylée supplémentaire sur le lipide A. En contraste avec la colistine, le dérivé 3',6-diNn de la néamine serait capable de s'insérer dans le réseau plus ordonné des LPS en raison de sa flexibilité élevée et de sa capacité à augmenter la fluidité des LPS. Cependant, la liaison au LPS n'est probablement pas suffisante puisque le dérivé 3',6-di2NM interagit aussi avec les LPS mais ne présente aucune activité antibactérienne contre les souches sensibles et résistantes de P. aeruginosa.
Fig. (9) Mécanisme d'action hypothétique de la 3',6-dinonyl néamine contre les souches de P. aeruginosa
sensibles à la colistine (en haut) et résistantes à la colistine (en bas). En haut : la couche de LPS est stabilisée par création des pontages ioniques par interactions avec des cations métalliques divalents (M2+) ; l'insertion de colistine et/ou du dérivé dinonyl induit la formation de complexes bimoléculaires avec le LPS et perturbe la structure membranaire. En bas : La couche LPS hautement ordonnée agit comme une barrière à la colistine (pas d'insertion), alors que la flexibilité du dérivé dinonyl et sa capacité à fluidifier le réseau LPS permettent toujours des interactions primaires perturbant la membrane. 48
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Il a été démontré que de longues chaînes alkyles (nonyles) greffées sur la néamine aux positions 3 'et 6 induisent les changements les plus importants dans la structure de la membrane externe par fixation aux LPS et par conséquence l’altération de la perméabilité à l'OM la plus forte. Le dérivé 3',6-diNn se caractérise par sa flexibilité et l'étroitesse de ses chaînes alkyles (figure.10) permettant une optimisation de l'insertion dans la région lipidique A du LPS. A cet égard, l'effet induit par 3',6-di2-naphtylpropyl n'est pas significativement différent de celui obtenu avec le dérivé 3',6-diNn. L'apparition de matière fluide prolonge les données antérieures relatives à la formation d'un réseau supramoléculaire entre les substances multicationiques et multianioniques.47,49
Lorsque toutes les données sont prises ensemble et quand on suppose que le volume de la partie hydrophobe augmente des dérivés dialkyles linéaires (3’,6-diNn), aux dinaphtylalkyle (3',6-di2NM, 3',6-di2NP et 3',6-di2NB) jusqu’aux groupements trinaphtylalkyles très volumineux (3', 4 ', 6-tri2NM), la liaison maximale à la membrane externe et aux LPS serait inversement proportionnelle au volume de la fraction hydrophobe. La lipophilie et la forme moléculaire de l'antibactérien seraient donc critiques. Plus spécifiquement, le dérivé 3',6-diNn présente une forme moléculaire de cône inversé avec une grande partie hydrophile et une petite partie hydrophobe. Ceci pourrait permettre une interaction étroite entre ce dérivé et le fragment lipide A des LPS, caractérisée par une forme complémentaire conique (avec une petite partie hydrophile et une grande partie hydrophobe pour les LPS) comme illustré sur la Figure 10B.
Fig. (10) Relations structure-activité et principaux paramètres (flexibilité des fractions hydrophobes, forme
moléculaire) impliqués dans les interactions des dérivés alkylés de la néamine avec le LPS. Des dérivés de
A
néamine amphiphiles et les LPS sont représentés par des fragments hydrophiles (gris) et hydrophobes (blancs). La forme moléculaire complémentaire entre dérivés 3’,6-diNn et LPS est illustrée au bas du schéma. 48
Les excellents résultats obtenus par le groupe et les premières relations structure-activité établies stimulent donc la synthèse de nouveaux aminoglycosides amphiphiles dans la recherche de nouveaux agents antimicrobiens encore plus puissants, moins toxiques et moins sensibles au développement de résistances bactériennes.