CHIMIE du et pour le VIVANT : OBJECTIF SANTE

CHIMIE  du  et  pour  le  VIVANT  :   OBJECTIF  SANTE  

Daniel MANSUY

Université Paris Descartes - UMR 8601 CNRS

Centre  d’Alembert   Seminaire  Chimie    

8/12/2016  

1 – Pourquoi la CHIMIE du et pour le VIVANT va-t-elle connaître un développement tout particulièrement important au cours des 20 années à venir ?

2 – Parce que le quart de siècle passé a vu un développement spectaculaire et sans

précédent des SCIENCES de la VIE, avec, en particulier, un accès à toutes les bases

moléculaires du Vivant.

GENOME TRANSCRIPTOME PROTEOME METABOLOME PHYSIOME

Schémas métaboliques

nouveaux médiateurs nouvelles réactions nouveaux catalyseurs

nouveaux schémas de biosynthèse

CHIMIE du VIVANT 30-­‐40%  de  

gènes  «  orphelins  »  

(NO, CO, SH₂..)

2 – Pourquoi les chimistes doivent-ils prendre ce créneau de la biochimie moléculaire ?

♦   A cause du choix de la plupart des biologistes biochimistes d’aller de plus en plus vers l’étude des systèmes intégrés → vide progressif dans les domaines les plus moléculaires de la

biochimie (enzymologie, biochimie analytique…)

GENOME TRANSCRIPTOME PROTEOME METABOLOME PHYSIOME

Médicaments, diagnostic, biomatériaux, secteur agro-alimentaire…

OUTILS (molécules, matériaux) d’ETUDE et de CONTRÔLE du VIVANT

CHIMIE pour le VIVANT

PHARMACOGENETIQUE

RH ROH

ROR’ ELIMINATION

[R

] EFFETS TOXIQUES SECONDAIRES

P450s

R’H

(2

médicament)

INTERACTIONS

MEDICAMENTEUSES PREVISIONS

TOXICOLOGIQUES Vitesse d’élimination BIODISPONIBILITE

IMPORTANCE  de  la  CONNAISSANCE  du  METABOLISME  des  

MEDICAMENTS  chez  l’HOMME  dans  la  RECHERCHE  de  NOUVELLES  

MOLECULES  ACTIVES  

ADVERSE  DRUG  REACTIONS  (ADR)  

PHARMACOGENETIC

PROBLEMS DRUG

INTERACTIONS SECONDARY TOXIC EFFECTS



COST for the US society : 100 billions US$ (2001)



100,000 DEATHS annually in the USA



up to 7% of all hospital admissions

N

N N

N Fe

H₃C CH₃

CO₂H CO₂H S

Protein

CH₃ H₃C

OXIDATION   CATALYSIS  

TRANSFER  of  one  O  from  O₂  

MONOOXYGENASES  involved   in  the  BIOSYNTHESIS  of  

ENDOBIOTICS  (steroids,  faPy   acid  mediators,  terpenes,   alkaloids…)  and  the  

METABOLISM  of  XENOBIOTICS   (Drugs,  pollutants…)  in  all   organisms  

VERY  WIDE  SUBSTRATE   DIVERSITY  

RH  +  O

 +  2e

 +  2H

ROH  +  H

O

CYTOCHROME  P450-­‐DEPENDENT  MONOOXYGENASES  

F^{e    I  I  I}   S   O  ^H  2  

F  ^{e  I  I  I}   S   R  ^H  

F  ^{e  I  I}   S   R  ^H  

F^{e    I  I  I}   S   R  ^H  

O   ^O  

.

F^{e  I    I  I}   S   R^H    

O   ^O   F  ^{eI    I  I}  

S   R  ^H  

O   ^O  H   F  ^{e  I  V}  

S   R^H    

O  

F^{e    I  I  I}   S   O  

H   R  

H  ₂^O    

H  ₂^O    ₂  

F  e  ^{I  I}  O  ₂  

e -    

H⁺     H  2  ^O  

H  ⁺  

R  ^{O  H}  

H2    ^O   _R  ^H  

H  2  ^O  

e -    

O  ₂   O2    -  

PHARMACOGENETIQUE

RH ROH

ROR’ ELIMINATION

[R

] EFFETS TOXIQUES SECONDAIRES

P450s

R’H

(2

médicament)

INTERACTIONS

MEDICAMENTEUSES PREVISIONS

TOXICOLOGIQUES Vitesse d’élimination BIODISPONIBILITE

IMPORTANCE  de  la  CONNAISSANCE  du  METABOLISME  des  

MEDICAMENTS  chez  l’HOMME  dans  la  RECHERCHE  de  NOUVELLES  

MOLECULES  ACTIVES  

PHARMACOGENETIQUE

RH ROH

ROR’ ELIMINATION

[R

] EFFETS TOXIQUES SECONDAIRES

P450s

R’H

(2

médicament)

INTERACTIONS

MEDICAMENTEUSES PREVISIONS

TOXICOLOGIQUES Vitesse d’élimination BIODISPONIBILITE

IMPORTANCE  de  la  CONNAISSANCE  du  METABOLISME  des  

MEDICAMENTS  chez  l’HOMME  dans  la  RECHERCHE  de  NOUVELLES  

MOLECULES  ACTIVES  

DRUG EFFECT

Pharmacological Consequence

+ CARBAMAZEPINE ELIMINATION RATE OF THE DRUG −

+ THEOPHYLLINE " " + −

+ DIHYDROERGOTAMINE " " −

+ Me - PREDNISOLONE ELIMINATION RATE OF THE DRUG +

TAO

6+

DRUG  INTERACTIONS  INVOLVING  TAO  

P450 inactivation TAO

N O Fe^II

S

O RO

R’O CH₃

λm = 455 nm P450

(4 oxidation turnovers)

M. Delaforge, M. Jaouen, E. Sartori, D. Mansuy D. Pessayre

PREDICTIVE TEST

Treatment of rats with macrolide antibiotics

Preparation of liver microsomes

Measurement of 455 nm - absorbing complex by difference visible spectroscopy

TAO + +

Erythromycin + -

Roxythromycin -

Josamycin -

TAO _{NADPH , O}^P450 P450Fe^II P450 INACTIVATION

2

λm = 455 nm N

O R

COORDINATION CHEMISTRY

NITROSOALKANES as new strong LIGANDS of HEMEPROTEINS

(Hb, Mb, NO - synthases, Prostaglandin Synthase, Cytochromes P450…)

Isoelectronic

O

R N _{O O O}

OH  

CH₃   CHO  

O   CH₃   O  

CH₃   O   O  

CO   CH₃  

RO  

O   CH₃  O   O  

OH   CH₃   CH₃  

O   C   CH₂   CH   CH₃   CH₃  

O   O  

N(CH₃)₂   Josamycin   Base  

Propionate   R  =  COC₂H₅  

R  =  H   (  –  )   (  –  )   Josamycin  

R  =  COCH₃   R  =  H  

(  +  )   Oleandomycin  

TAO  

O  

O   O  

R  

CH₃  

Sug.  

or  H   N   O  

Fe  

O  

CH₃   O   O  

O  

CH₃   CH₃  

CH₃  

O   CH₃  

CH₃   RO  

O   CHH  ₃   N(CH₃)₂  

O  

O  

OCH₃   CH₃  

OR   RO  

PHARMACOGENETIQUE

RH ROH

ROR’ ELIMINATION

[R

] EFFETS TOXIQUES SECONDAIRES

P450s

R’H

(2

médicament)

INTERACTIONS

MEDICAMENTEUSES PREVISIONS

TOXICOLOGIQUES Vitesse d’élimination BIODISPONIBILITE

IMPORTANCE  de  la  CONNAISSANCE  du  METABOLISME  des  

MEDICAMENTS  chez  l’HOMME  dans  la  RECHERCHE  de  NOUVELLES  

MOLECULES  ACTIVES  

HEPATITES  de  type   IMMUNOALLERGIQUE  

(1  cas  sur  10  000)  

APPARITION   d’ANTICORPS   ANTI-­‐RETICULUM   (ANTI-­‐LKM₂)  chez    

Les  PATIENTS   ACIDE  TIENILIQUE  

PAS  de  

TOXICITE  DIRECTE  

S   C   O  C  H  ₂  C  O  O  H   C  l   C  l  

O  

APPARITION d’ANTICORPS ANTI-LKM₂(ANTI-2C9)

Dans le SERUM

DESTRUCTION AUTO- IMMUNE de

l’HEPATOCYTE ACTIVATION de

l’HEPATOCYTE

METABOLITE REACTIF

P450 2C9 ALKYLÉ

P450 2C9 sur la MEMBRANE de l’HEPATOCYTE P450 2C9

S C

O Cl Cl

OCH₂COOH

OH S C O

Ar

P.  Danse=e,  P.  Beaune,  C.  Foures,  G.  Moinet,  M.  Jaouen,  C.  Amar,  C.  Pons,  P.  Valadon,  P.  Lopez-­‐Garcia,  D.  Mansuy    

S C Ar + P450 Fe^III HO O

S C Ar O Nu

Nu

H₂O

Fe^III S

11/12 turnovers

Fe^III S

1/12 turnovers

P450 2C9 INACTIVÉ NADPH

+ O₂

P450 2C9 + ACIDE TIENILIQUE S C Ar

O O

INACTIVATION  SUICIDE  du  CYTOCHROME  P450  2C9   par  l’ACIDE  TIENILIQUE  

P.  Danse=e  et  al.,  2003  

SER 365

CYP  2C9  +  TIENILIC  ACID  

PHARMACOGENETIQUE

RH ROH

ROR’ ELIMINATION

[R

] EFFETS TOXIQUES SECONDAIRES

P450s

R’H

(2

médicament)

INTERACTIONS

MEDICAMENTEUSES PREVISIONS

TOXICOLOGIQUES Vitesse d’élimination BIODISPONIBILITE

IMPORTANCE  de  la  CONNAISSANCE  du  METABOLISME  des  

MEDICAMENTS  chez  l’HOMME  dans  la  RECHERCHE  de  NOUVELLES   MOLECULES  ACTIVES  

METABOLITE  

PHARMACOLOGIQUEMENT    

ACTIF  

S

N

Cl

R

R = H Ticlopidine (Ticlid) R = COOCH3 Clopidogrel (Plavix) (anti-thrombotic, Sanofi-Aventis)

Clopidogrel    =  2

 most  prescribed  drug  in  the  world  with  9.4  billions  $  in   global  sales  in  2010  

-­‐   Reducfon  of  atherothrombofc  events  in  pafents  with  myocardial  infarcfon  or        peripheral  arterial  disease  

-­‐  Treatment  of  chest  pain  (heart  aPack,  unstable  angina),  in  associafon  with  aspirin   -­‐   To  prevent  blood  clots  ager  cardiac  stent,  coronary  bypass  grag,  or  balloon    

   angioplasty  

Prasugrel N (Effient, 2010)

O

S F CH₃COO

N

S

R

N

O S

R N

S O

R

HO H H₂C

Cl R =

HC Cl MeOOC

Clopidogrel R = (Plavix/Iscover, 1998)

Ticlopidine

(Ticlid, 1979)

P450 NADPH, O₂

P450 NADPH, O₂

Metabolite active as an irreversible inhibitor of platelet P2Y12 receptor

THIENOPYRIDINE  ANTITHROMBOTICS  are  PRODRUGS  

BIOACTIVATION  OF  CLOPIDOGREL  

2-­‐OXO-­‐CLOPIDOGREL   ACTIVE  METABOLITE  

1-­‐  WHY  and  HOW  CYTOCHROME  P450  ?    

2-­‐  WHY  NOT  HYDROLASES  (THIOESTERASES)  ?  

 MECHANISM  of  the  P450-­‐DEPENDENT  ACTIVATION  of  CLOPIDOGREL   (opening  of  its  thiolactone  metabolite)  

S

N R'

P450 NADPH + O₂

S

N R'

+ O- O

H₂O

H₂O N

R'

S OH O OH

O

+

O O

N R'

OHS

O

O O

characterized by MS,

1H and ¹³C NMR

C S

N R'

O

HO SR

+ RSH -H₂O + RSH

- RSSR C N

R' S

O HO

characterized (MS) in the case of

RSH = mercaptoethanol and glutathione

H

ascorbate

P.M.Danse=e,  J.Libraire,  G.Bertho,  D.Mansuy,  Chem.  Res.  Toxicol.,  22,  367  (2009)  

     P450s  not  involved  in  the  second  step  of  CLO  acfvafon  ?  

                     PON-­‐1  determines  the  rate  of  acfve  metabolite  formafon  ?                  

Paraoxonase-­‐1  is  a  Major  Determinant  of  Clopidogrel  Efficacy  

Bouman  et  al.,  Nature  Medicine,  110  (2011)  

S  

N   ^R  '  

P  4  50    

N  AD    PH    +      O  ₂   ^O   _S  

N   ^{R  '}  

P  45    0  

NA    DP   H      +    O₂    

(  +    GS    H)    

A  C  T  I  V  E  

M  E  T  A  B  O  L  I  T  E  

An    t  i  p  l  a  t  e  l  e  t    a  n  d  

An    t  i  t  h  r  o  m  b  o  t  i  c  

E  f  f  e  c  t  s  

I  n  h  i  b  i  t  i  o  n    o  f    t  h  e  

P  2  Y  1  2    r  ec    e  p  t  o  r  

o  f    pl    a  t  e  l  e  t  s  

(  c  o  v  a  l  e  n  t    b  i  n  d  i  n  g  )  

C   ^{N   R  '}  

S  ^H  

O  

H  ^O   Thioesterase  (PON-­‐1)  

Nature  Med.  (2011)  

?  

THE  TWO  PATHWAYS  INVOLVED  IN  THE  OPENING  OF  THE  

CLOPIDOGREL  THIOLACTONE  RING  BY  HUMAN  LIVER  MICROSOMES  

P.  Danse=e,  J.Rosi,  G.Bertho,  D.Mansuy,  Nature  Med.,  1040  (2011)  

CHEMICAL  HYDROLYTIC  OPENING  of   CLOPIDOGREL  THIOLACTONE  

EXCLUSIVE  FORMATION   of  the  ENDO  ISOMER  

P.  Danse=e,J.Rosi,  G.Bertho,  D.Mansuy,  Chem.  Res.  Toxicol.,25,348  (2012)  

METABOLISM  of  CLOPIDOGREL  by  HUMAN  LIVER  MICROSOMES  

 Danse=e  PM,  Rosi  J,  Bertho  G,  Mansuy  D.,  Nature  Med.  1040  (2011)  ;  Chem.Res.Toxicol.  25,  348  (2012)  

N O S

R N

O S

R N

S

clopidogrel

Cl

P450 NADPH, O₂

Esterases (PON-1)

endo-thiol

N S

O

R

HO H

N O S

R

O

P450 NADPH, O₂

H₂O

N S

O

R

HO

OH N

S O

R

HO

O O

O O

ascorbate

cis-thiol

O OCH₃

N S

O

R

HO H

N S

O

R

HO H

GENOME TRANSCRIPTOME PROTEOME METABOLOME PHYSIOME

Schémas métaboliques

nouveaux médiateurs nouvelles réactions nouveaux catalyseurs

nouveaux schémas de biosynthèse

CHIMIE du VIVANT CHIMIE d’après le VIVANT

D.  Mansuy  et  al.,  Coord.  Chem.  Rev.  125  (1993)  ;  J.T.  Groves  et  al.,  1032  (1979)  ;    B.  Meunier,  Chem.  Rev.,  1411  (1992)   D.  Mansuy,  C.R.  Chimie,  392  (2007)  

•   HepatoChem      

           The  HepatoChem  technology  exploits  an  opdmized  panel  of  catalydc  chemical   reacdon  condidons  in  a  muld-­‐well  parallel  format,  which  by  its  diversity  mimics   the  suite  of  cytochrome  P450  enzymes  (CYP)  present  in  human  hepatocytes.  As   such,  this  would  be  a  chemical  liver.  This  new  approach  to  biomimedc  catalysis   using  metalloporphyrins  as  catalysts  has  been  elaborated  in  collaboradon  with   Prof.  John  Groves  at  Princeton  University.  

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