Ministère de l’enseignement supérieur et la recherche scientifique Université Mohamed Seddik Ben Yahia - Jijel
Faculté des Science Exactes et Informatique Département de chimie
Domaine : Sciences de la matière Filière : Chimie
Spécialité : Chimie Pharmaceutique
Mémoire de fin d’études
En vue de l’obtention du diplôme de Master Intitulé
Etude sur l’inclusion d’un sulfonyurée avec la bêta-cyclodextrine : une approche modélisation moléculaire
Réalisé par : Amina AICHE
Jury
Smail Khelili Pr Président Université M. Seddik Benyahia - Jijel Khalil Sahra MCB Encadreur Université M. Seddik Benyahia - Jijel Akila Chibani MAB Examinatrice Université M. Seddik Benyahia - Jijel
Année universitaire 2019 /2020
En premier lieu nous tenons à dire « El-Hamdouli’Allah », merci à Dieu de nous avoir donné la santé, le courage, la force et la volonté pour accomplir ce travail.
Nos remerciements et notre vive reconnaissance à notre encadreur Dr. Khalil SAHRA maitre de conférences au département de Chimie pour avoir accepté de nous encadrées et
dirigées ce travail par excellence. Aussi bien pour ces conseils judicieux, Nous le remercions pour sa disponibilité, sa grande patience, ses conseils et ses remarques précieuses.
Nos vifs remerciements au Pr. khelili ISMAIL maitre de conférences au département de Chimie pour l’honneur qu’il nous fait en acceptant de présider le jury de notre soutenance.
Et MAB. chibani AKILA pour l’importance qu’elle a accordée à notre travail en acceptant d’être membre de ce jury et pour le temps qu’elle a consacrée à examiner ce mémoire.
Nous remercions également toute la communauté du département de chimie de la faculté des sciences exactes et informatique de l'université de Jijel: enseignants, administrateurs,
étudiants, comme nous saluons chaleureusement tous nos compagnons de mémoire.
En fin, nous tenons à remercier toute personne ayant participé de près ou de loin à réaliser ce projet.
A mes parents
A Ma sœur et mes frères A mon mari
A mes très chères petites enfants Abd Rahmanne Nada et Rayane
A toute ma famille
A tous mes amies qui m’ont soutenue et encouragé pendant mes études
Amina
Liste des figures Liste des tableaux Liste des schémas Liste des abréviations
Introduction général et objectif de travail ... 01
Etude bibliographique Chapitre 1 : Les complexes d’inclusions I. Les complexes d’inclusions ... 03
I.1. Généralités sur la complexation ... 03
I.2.Les Cyclodextrine ... 04
I.2.1.Historiques ... 04
I.2.2. Structure et propriétés ... 05
I.2.3. Propriétés des CDs ... 08
I.3.Formation d’un complexe d’inclusion... 09
I.4.Facteurs influençant le procédé d'inclusion ... 09
I.4.1. Taille de la cavité ... 09
I.4.2. Influence du pH ... 09
I.4.3. Influence de la température ... 09
I.5.Forces stabilisantes les complexes d’inclusions ... 10
I.5.1.Interactions de Van der Waals ... 09
I.5.2 Formation des liaisons hydrogène ... 10
I.5.3. Energie de transfert de charge ... 11
I.6.Utilisation des cyclodextrines ... 11
I.7.Les techniques de préparation des complexes avec les cyclodextrines ... 12
I.7.1.La Co-précipitation ... 12
I.7.2. Complexation par extrusion ... 12
I.7.4. Complexation en suspension ... 13
I.8.Avantages de la complexation ... 13
I.9.Conséquences de la complexation………. 13
Chapitre II : Médicaments antihypertenseurs et synthèse de la molécule cible II. médicaments antihypertenseurs et synthèse de la molécule cible 15
II.1. Généralité ... 15
II.2. Les médicaments antihypertenseurs ... 15
II.2.1.Médicaments interférant avec les canaux ioniques ... 16
II.2.2.Les activateurs des canaux potassiques ... 17
II.2.3. Structure des canaux KATP... 18
II.2.3.1.Rôle physiologique des canaux KATP ... 19
II.2.3.2. Les activateurs des canaux KATP ... 20
II.2.4.Les benzopyranes ... 21
II.2.5.Pharmacomodulations effectuées autour du cromakalim ... 21
II.3.Synthèse des molécules cible ... 23
II.3.1.Stratégie de synthèse des analogues du cromakalim... 23
II.3.2.La synthèse des molécules sulfonylée BM99) ... 24
Chapitre III : Méthodes de la modélisation moléculaire III. Méthodes de la modélisation moléculaire ... 26
III.1.Introduction ... 26
III.2.Méthodes de la modélisation moléculaire ... 26
III.2.1. La mécanique quantique... 27
II.2.1.1. Les méthodes ab initio : détermination de la fonction d’onde ... 29
III.2.1.2. Méthodes sur la fonctionnelle de la densité DFT (Density Functional Theory) (détermination de la densité électronique) ... 30
III.2.2. La Mécanique moléculaire (MM) ... 31
III.2.2.2. Les interactions intermoléculaires non liantes à longue portée ... 34
III.2.2.3. Interactions intermoléculaires non liantes à courte portée ... 35
III.2.2.4 Minimisation de l’énergie ... 36
III.2.3 La dynamique moléculaire ... 36
III.2.4 Méthodes hybrides : La méthode ONIOM ... 37
III.2.5.L’analyse NBO (Natural bond orbital) ... 39
Chapitre IV : Résultats et discussion IV. Résultats et discussion ... 40
IV.1 Modélisation moléculaire... 40
IV. 2 Méthode de calcul et la définition de l'énergie ... 40
IV. 2. 1 Simulation du processus d'inclusion ... 43
IV. 2. 2 Paramètres HOMO et LUMO ... 45
IV. 2. 3 Les paramètres de l'invité ... 46
IV. 2. 4Calculs ONIOM... 48
Liste des figures
Chapitre I
Figure I.01 : Structures en solution aqueuse de complexes cyclodextrines-invités décrits dans la littérature ... 03 Figure I.02 : Complexe d’inclusion de type 1:1 (cyclodextrine-molécule invitée) ... 04 Figure I.03 : structures de l’ α- (n=6) (a), β- (n=7) (b) et γ- (n=8) (c) cyclodextrines. d) structure de l’unité répétitive constituant les cyclodextrines et nomenclature commune des atomes... 06 Figure I.04: Représentation schématique de la forme d’une cyclodextrine et du positionnement
des différentes fonctions ... 07 FigureI.05: Représentation schématique des structures 3-dimensionnelle et des différentes zones
de polarité des cyclodextrines ... 08 Chapitre II
Figure II.01 : structure d’un canal ionique ... 16 Figure II.02 : représentation schématique des différents états dans lesquels peut se trouver
un canal ionique ... 17 Figure II.03 : les deux groupes des médicaments vasodilatateurs ... 17
FigureII.04 : Structure octamérique des KATP ... 18 Chapitre III
Figure III.01: les interactions intramoléculaires liantes ... 33 Figure III.02: Exemple d'un arrangement de division de trois couches... 38 Figure III.03: Exemple d’application de la méthode hybride QM/MM à un système moléculaire ... 38
Chapitre IV
Figure IV. 1: Structure chimique de BM 99 ... 40 Figure IV. 2: (a) Structure de β-CD, (b) Structure de BM99 optimisés avec la méthode
PM6 ... 41 Figure IV. 3: Processus d’inclusion de BM99 avec la β-CD... 42 Figure IV. 4: Energies de complexation du complexe d’inclusion BM99/β-CD à différentes positions X (Å) (1) et à différentes angles de rotations (°) (2)………. 44 Figure IV. 5 : Structures géométriques du BM99 avant et après l’interaction avec la β-CD ... 48
Liste des tableaux Chapitre I
Tableau I.1: les dimensions et quelques caractéristiques des cyclodextrines α, βet γ. ... 08
Chapitre II
Tableau II .1 : Les molécules les plus intéressantes BM qui sont obtenu dans les familles thiourée et sulfonylurée. ... 24 Chapitre IV
Tableau IV.1: Énergies du complexe BM99/CD ... 45 Tableau IV. 2 : Calculs HOMO-LUMO pour le BM99, β-CD et le complexe BM99: β-CD par la méthode PM6………. 46 Tableau IV. 3: Les paramètres de configuration de conformation BM99 avant et après interaction avec la β-CD, calculé par la méthode PM6………. . 47
Liste des schémas Chapitre II
Schéma II.1: Rôle des canaux KATP dans les cellules musculaires lisses ... 19
Schéma II.2: principales familles d’activateurs des canaux KATP ... 20
Schéma II.3: structure chimique du cromakalim………. . 21
Schéma II.4: pharmacomodulations effectuées sur le Cromakalim ... 21
Schéma II.5: pharmacomodulations effectuées sur les analogues hybrides de Cromakalim……….... 22
Schéma II.6: synthèse des analogues du cromakalim………... 23
Schéma II.7 : synthèse des molécules sulfonylée………. 25
Liste des abréviations
ATP : adénosine-5-triphosphate AM1: Austin Model 1
BM99 : N-(1-(5-chloro-2-methoxyphenyl) ethylcarbamoyl)-N-methylbenzenesulfonamide CD : Cyclodextrine
CD-S : cyclodextrine et l’invité
CNDO: complete Neglect of Differential Overlap β-CD : beta Cyclodextrine
DFT: Density Functional Theory DFT : Density Functional Theory Dc : début cardiaque
DM : Dynamique moléculaire EDA : Edaravone
HF: Hartree-Fock
HAS : la haute autorité de santé
HOMO: Orbitale Moléculaire la plus haute occupée INDO : Intermediate Neglect of Differential Overlap KS : constante de stabilité
KD : constante de dissociation
KATP : canal potassique sensible à l’ATP
LUMO : Orbitale Moléculaire la plus basse vacante MNDO: Modified Neglect of Diatomic Overlap MM : Mécanique Moléculaire
MP2: Moller Plesset d’ordre 2 NBO: Natural Bond Orbital
NDDO: Neglect Diatomic Differential Overlap OM: Orbitale Moléculaire
ONIOM: Our own N-layered Integrated molecular Orbital and molecular Mechanics PA : pression artérielle.
PM3: Parametric Method 3
PCOs : Potassium Channel Openers
QM/MM : Quantum mechanics/Molecular mechanics RAp : résistance artérielle périphérique
RHF: Restricted Hartree-Fock
RMN : Résonance Magnétique Nucléaire SCF: Self-Consistent Field
SE : Semi empirique Liste d’abréviations SAM 1 : Semi-ab-intio Model 1
∆H : La variation de l’enthalpie
∆S : La variation de l’entropie
∆G: Enthalpie libre
Introduction Générale et
objectif du travail
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Introduction générale :
Les interactions supramoléculaires impliquant le système "hôte-invité" (host-guest) suscitent une applicabilité potentielle et effective dans divers domaines industriels et biomédicaux, et constituent une complémentarité d'ordre stéréoélectronique des sites de liaison dans les molécules réagissantes. Leur intérêt croissant dans le domaine de l'encapsulation des substances actives attire de manière très saisissante l'attention des chercheurs.
Les cyclodextrines sont des molécules intéressantes dans le domaine de la Tech-nologie Pharmaceutique vu leur capacité à former des complexes avec des molécules peu hydrosolubles.
Elles sont notamment utilisées pour favoriser la solubilité de substances actives insolubles en milieu aqueux, pour augmenter leur biodisponibilité, pour améliorer dans certains cas la stabilité (de molécules ou de formulations), pour diminuer des effets indésirables ainsi que pour leurs propriétés promotrices d’absorption.
L’encapsulation dans les cyclodextrines est gouvernée par des interactions entre les molécules invitées (la molécule complexée) et la molécule hôte (β-CD la molécule complexante) sans établissement d’aucune liaison covalente. Pour étudier la géométrie et identifier les différentes interactions entre ces deux partenaires la modélisation moléculaire retrouvait un grand intérêt dans l’étude des complexes d’inclusion.
La modélisation moléculaire est une technique permettant, non seulement de re-présenter les propriétés et les réactions chimiques mais aussi de manipuler les modèles des structures en deux ou trois dimensions. Elle implique l’utilisation des méthodes de calcul théoriques (mécanique moléculaire, dynamique moléculaire, mécanique quantique ab-initio ou semi- empirique,...) permettant de déterminer la représentation graphique de la géométrie ou de la configuration des atomes d’une molécule et d’évaluer les propriétés physico-chimiques de la molécule étudiée. La modélisation moléculaire associée à une représentation infographique des stéréochimies permet d’interpréter des phénomènes physico-chimiques, de suggérer des nouvelles expériences et d’analyser ainsi des résultats d’une façon plus critique que les expériences classiquement utilisées, mais ces deux approches purement théoriques ou expérimentales sont complémentaires.
Les antihypertenseurs (Sulfonylurée) sont des médicaments de structures chimiques souvent très différentes qui font baisser la tension artérielle. Ces médicaments doivent être administrés au long cours et à doses suffisantes pour ramener les chiffres tensionnels à la normale.
Le but de travail est d’étudier la géométrie du complexe d’inclusion du Sulfonylurée BM99 avec la β-cyclodextrine, ainsi que les propriétés électroniques. Pour la stabilité du
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complexe, des calculs ont été effectués par des diverses méthodes de la mécanique quantique tel que : la méthode semi empirique PM6 et la méthode hybride ONIOM2.
Le Manuscrit de ce travail est structuré en quatre chapitres :
Le premier chapitre constitue un aperçu bibliographique sur les complexes moléculaires.
Il expose des généralités sur les cyclodextrines, une description du mécanisme de l'inclusion des molécules invitées dans la cavité macromoléculaire.
Le deuxième chapitre présent des molécules sulfonyurée BM99 dans des médicaments hypertensions leur classification ainsi leur mode d’action et leur synthèse de préparation.
Le troisième chapitre présent des généralités sur différentes méthodes de la modélisation moléculaire utilisées dans les calculs numériques.
Le quatrième chapitre présente en détails, la méthodologie suivie, les résultats obtenus ainsi que leur discussion pour les complexes d’inclusion du BM99 dans la β-cyclodextrine.
Nous clôturons enfin notre manuscrit par une conclusion générale.
3
Etude
Bibliographique
Chapitre I :
Les complexes
d’inclusions
3
I -Les complexes d’inclusions
I.1. Généralités sur la complexation
Un complexe d’inclusion est une association d’au moins deux molécules dont l’une, le substrat (ou « invité ») est encapsulé de façon totale ou partielle par l’autre, le récepteur (ou « hôte ») sous l’effet d’interactions faibles [1]. Aucune liaison covalente n’est créée, ce qui permet une dissociation aisée et douce du complexe formé.
Les complexes formés entre la (les) cyclodextrine(s) « hôte(s) » et la (les) molécule(s)
«invitée(s) » peuvent être de plusieurs types [2] (figure I.1) : on distingue les complexes d’inclusion (a-f) et les complexes d’association (g). De nombreux exemples avec divers arrangements structuraux, se trouvent ainsi décrits dans la littérature.
Les structures des principaux complexes ayant fait l’objet de publications sont représentées sur la figure suivante :
Figure I. 1 : Structures en solution aqueuse de complexes cyclodextrines-invités décrits dans la littérature : a) inclusion complète ; b) inclusion "axiale" ; c) inclusion partielle (capping) ; d) complexe
2:1; e) complexe 1:2; f) complexe 2:2; g) complexe "non-spécifique".
L’association d’une CD et d’une molécule invitée S, (ainsi que la dissociation du complexe formé CD-S), le complexe étant régi par des forces d’interactions faibles, est gouvernée par un équilibre thermodynamique de la forme [3]: CD + S CD-S
La stabilité du complexe peut être exprimée par la constante de stabilité KS (également appelée constante d’association) ou la constante de dissociation KD:
4
KS = 1 / KD = ([CD-S]) / ([CD] [S])
Où [CD-S], [CD] et [S] sont les concentrations du complexe, de la CD et du soluté, respectivement.
Les complexes CD-S formés généralement du type 1:1, comme celui décrit ci-dessus, c'est-à-dire qu’une CD complexe et une molécule de soluté. Toutefois, il existe aussi des complexes du type 2:1, 1:2, 2:2 ou d’ordre supérieur [4].
Figure I.2 : Complexe d’inclusion de type 1:1 (cyclodextrine-molécule invitée).
I.2.Les Cyclodextrine I.2.1.Historiques
Les cyclodextrine sont connues depuis plus d’un siècle. Elles sont aussi nommées cycloamyloses, cyclomaltoses, oligosaccharides ou cyclooligoglucanes. Elles portaient aussi le nom de Schradinger à cause de son rôle pionnier dans la connaissance de ces molécules.
Les cyclodextrines sont une famille d’oligosaccharides constituées d’unités des glucoses.
Ces composés ont été isolés pour la première fois par Villiers [5]. Ces molécules naturelles, obtenues par dégradation enzymatique de l'amidon, se présentent sous forme de cycles comportant de 6 à 12 unités de glucose. Lors de ces travaux, Villiers mit en évidence la présence de deux produits résultant de cette dégradation enzymatique. Ces produits ont des propriétés physico-chimiques proches de celles de la cellulose.
En 1904, Schradinger [6] reprend les travaux de Villiers et identifie les structures cycliques des cyclodextrines et les enzymes responsables de leur formation: la cyclodextrinase.
Toutefois leur structure chimique ne fut parfaitement élucidée qu’en 1938 grâce aux travaux de (Freudenberg et al) [7]. Les cyclodextrines sont alors décrites comme un assemblage cyclique d’unités de D-glucose reliées entre elles par des liaisons α (1→4) glucosidiques.
5
C’est en 1948, que (Freudenberg et al) [8] rapportent pour la première fois la possibilité pour ces composés de former des complexes d’inclusion. Néanmoins le développement pionnier fut surtout réalisé par les groupes de Cramer [9] et French [10], dans les années 1950, qui travaillèrent sur la synthèse et la purification des premiers complexes d’inclusion à base de cyclodextrine.
Le premier brevet concernant l’utilisation des cyclodextrines pour la conception de composés possédant une activité biologique a été déposé en 1953 et marquera le début de l’essor considérable de l’étude des cyclodextrines durant les dernières décennies et notamment comme modèle de l’activité enzymatique [11- 12-13]. Dans les années 1970-1980, Szejtli [14 -15]
apporte une importante contribution dans le domaine avec notamment une étude poussée des complexes d’inclusion formés à partir des cyclodextrines et le développement de l’utilisation des cyclodextrines en chromatographie [16]. Le nombre des publications concernant les cyclodextrines n'a cessé de croître depuis la fin des années 1960, période à laquelle les méthodes de production, les structures, les propriétés physiques et chimiques et la formation de complexes d’inclusion ont été découverts. Du fait de leur faible toxicité, les cyclodextrines se retrouvent dans une large gamme de produits commercialisés pour le grand public allant des médicaments (exemple NICORETTEMICROTAB ®) aux produits alimentaires (exemples GLUCIDEX®, KLEPTOSE ®) en passant par les produits ménagers (exemple FEBREZE ®) .
I.2.2. Structure et propriétés
Les cyclodextrines sont obtenues à grande échelle par la dégradation enzymatique de l’amylose. Lors de ce processus, la structure en hélice de l’amidon est brisée. Il s’ensuit une cyclisation intramoléculaire conduisant à la formation de la structure cyclique des cyclodextrines [17]. Par ce traitement on obtient majoritairement trois composés cycliques nommés α-, β- et γ- cyclodextrines comprenant respectivement 6, 7 ou 8 unités de D-glucose (figure I.3).
Cette conversion enzymatique produit également des produits minoritaires [18], souvent appelés cyclodextrines géantes pouvant contenir jusqu’à 14 unités de D-glucose [19 -20].
Néanmoins leurs coûts de production prohibitifs rendent le développement d’applications pratiques et leur utilisation dans le secteur pharmaceutique limité.
6
Figure I.3 : structures de l’ α- (n=6) (a), β- (n=7) (b) et γ- (n=8) (c) cyclodextrines. d) structure de l’unité répétitive constituant les cyclodextrines et nomenclature commune des atomes [18].
Grâce aux structures tridimensionnelles obtenues par diffraction des rayons X, la forme d’un anneau tronconique (cône tronqué) des cyclodextrines ainsi que le réseau de liaisons hydrogènes interglucosidiques des hydroxyles primaires et secondaires ont pu être déterminés.
Chaque unité de glucose se trouve ainsi dans la conformation chaise 4C1.Ainsi les cyclodextrines sont des molécules chirales dans lesquelles chaque unité de glucose possède cinq centres asymétriques. Cette conformation rigide donne alors aux cyclodextrines leur forme tronconique caractéristique figure I.4.
La structure du cône est formée autour d’un squelette carboné construit par les unités de glucoses reliées entre elles par les atomes d’oxygène glucosidiques. Ce squelette crée une cavité moléculaire possédant des propriétés très originales dues aux positions spatiales des différents groupements constitutifs de la cyclodextrine. Ainsi les groupements hydroxyles primaires (O6) sont localisés autour de la face étroite du cône tronqué tandis que les groupements hydroxyles secondaires (O2 et O3) se placent autour de la face large de la cyclodextrine.
De plus, les groupements hydroxyles primaires, de par leur plus grande mobilité, peuvent partiellement obstruer l’entrée de la cavité de la face étroite par rotation autour des carbones C6 alors que les hydroxyles secondaires de la face large ont énormément moins de degré de liberté à
7
cause de la structure rigide du squelette de la cyclodextrine à laquelle ils sont directement rattachés.
Figure I.4: Représentation schématique de la forme d’une cyclodextrine et du positionnement des différentes fonctions [18].
Les hydrogènes H1, H2 et H4 sont quant à eux dirigés vers l’extérieur de la cavité tandis que Les hydrogènes H3 et H5 sont orientés vers l’intérieur de la cavité moléculaire de la cyclodextrine et sont alors les seuls à même d’interagir avec un substrat complexé dans cette cavité. Les oxygènes interglucosidiques O4 forment les ponts entre les différentes unités de glucose et leurs paires d’électrons non liantes sont dirigées vers l’intérieur de la cavité moléculaire. Cette orientation conduit l’intérieur de la cavité de la cyclodextrine à posséder une forte densité électronique ce qui lui confère les caractéristiques d’une base de Lewis.
A cause de la structure tronconique et de la position particulière des hydroxyles, les cyclodextrines sont amphiphiles et possèdent donc deux zones de polarité distinctes (figure I.5).
L’extérieur de la cavité et les extrémités sont polaires : ceci est dû essentiellement aux hydroxyles et favorise ainsi la solubilisation dans des solvants très polaires. Ainsi ce sont les hydroxyles primaires et secondaires, se trouvant sur les contours de la cyclodextrine qui rendent cette molécule soluble dans l’eau. En revanche, l’intérieur de la cavité où se trouvent uniquement les oxygènes interglucosidiques, est moins polaire et cette polarité est tout à fait comparable à celle des éthers. Cette zone plus hydrophobe, prendra une part importante dans les nombreux processus d’inclusion [18].
8
FigureI.5: Représentation schématique des structures 3-dimensionnelle et des différentes zones de polarité des cyclodextrines [18].
I.2.3. Propriétés des CDs
Les propriétés particulières de la β-CD découlent de la distribution spécifique des différents groupements fonctionnels le long des surfaces interne (hydrophobe) et externe (hyrophile). Le tableau I.1 [21] indique les dimensions et quelques caractéristiques physicochimiques importantes des trois principales cyclodextrines.
Tableau I.1: les dimensions et quelques caractéristiques des cyclodextrines α, βet γ.
Propriétés α-CD β-CD γ-CD
Nombre d’unités glucose 6 7 8
Masse molaire (g/mol) 972 1135 1297
Solubilité dans l’eau à 25°C (g/1000ml)
14.5 1.85 23.2
Diamètre de la cavité (A°) 4.7-5.3 6.0-6.5 7.5-8.3
Hauteur du tore (A°) 7.9 7.9 7.9
Diamètre de la périphérie (A°) 14.2-15.0 15.0-15.8 17.1-17.9 Volume approximatif de la cavité
(A°)
174 262 427
9 I.3.Formation d’un complexe d’inclusion
On peut deviser la formation d’un complexe en plusieurs étapes :
Approche de l’invité vers la cyclodextrine.
Rupture de la structure de l’eau à l’intérieur de la cavité de la CD et éviction de certaines de ces molécules.
Rupture de la structure de l’eau autour de la molécule invitée et transport de molécules d’eau vers la solution.
Interaction de certains groupements de la molécule invitée avec l’extérieur ou l’intérieur de la CD.
Eventuellement, création de liaisons hydrogène entre l’invitée et la CD.
Reconstitution de la structure de l’eau autour des parties exposées de l’invité après l’inclusion.
I.4.Facteurs influençant le procédé d'inclusion I.4.1. Taille de la cavité
Le type de la CD peut influencer la formation, la nature et la stabilité des complexes des CDs. Pour la complexation, la taille de la cavité de la CD devrait convenir pour adapter aux molécules des médicaments de taille particulière. Les trois types des CDs diffèrent de la taille des leurs cavités et la solubilité. La taille de la cavité dans l’α-CD est trop petite pour beaucoup de médicaments et la γ-CD est relativement cher [22].
I.4.2. Influence du pH
Le pH des solutions influence évidement la nature (neutre ou ionisée) des molécules ionisables (selon leur constante d’acidité pKa).
Pour les électrolytes faibles, la force d’interaction à la CD dépend de l'état ionique de la molécule invité, de la constante de dissociation de la molécule invité et du pH de l'environnement. Pour la plupart des molécules, la forme ionisée de la molécule invitée à une interaction plus faible au CD comparé aux molécules non ionisées ou neutres particulièrement si la CD est neutre [22].
10 I.4.3. Influence de la température
Évidemment, la variation de la température peut affecter le procédé de complexation. Dans la plupart des cas l'augmentation de la température diminue l'importance de la constante apparente de la stabilité du complexe formé. L'effet a été expliqué par la réduction possible des forces d'interaction internes.
I.5.Forces stabilisantes des complexes d’inclusions
Plusieurs contributions énergétiques ont été mises en évidence pour expliquer les interactions en jeu lors de la formation des complexes par des cyclodextrines.
I.5.1.Interactions de Van der Waals
Les forces de Van der Waals (VDW), du nom du Hollandais Johannes Diderik Van der Waals (1837 -1923), prix Nobel de physique 1910, sont des forces électromagnétiques résiduelles faibles, d’origine quantique, s’exerçant entre des molécules et même des atomes neutres.
Elles avaient initialement été introduites sous forme de termes phénoménologiques dans l’équation d’état des gaz de VDW dit réels car ne se comportant plus selon la loi des gaz parfaits.
Il a fallu attendre la découverte de l’équation de Schrödinger pour modéliser plus précisément ces forces dont la loi ne varie plus en 1/R2, comme pour l'électrostatique, mais 1/R7.
En fait, il s’agit de la combinaison pour l’essentiel de trois types de forces distinctes résultant de différents effets :
Force de Keesom (effets d'orientation) ;
Force de Debye (effets d'induction) ;
Force de London (effets de dispersion).
I.5.2 Formation des liaisons hydrogène
Parmi les molécules polaires, celles qui comportent des atomes d’hydrogène présentent parfois des interactions plus fortes que celles des forces de Van der Waals.
L’atome d’hydrogène « fait le pont » entre deux atomes ou plus alors qu’il n’a qu’un électron. Cette liaison hydrogène n’est donc pas une liaison ordinaire. Elle ne se manifeste qu’avec des atomes très électronégatifs.
11
Une liaison hydrogène peut s’établir entre un atome d’hydrogène lié par covalence à un atome A très électronégatif (F, O, N) et un atome B très électronégatif porteur d’un doublet non liant. La longueur de la liaison hydrogène est de 200 pm environ [22].
I.5.3. Energie de transfert de charge
Lorsque deux molécules interagissent, une faible quantité d’électrons circulent de l’une vers l’autre. Par exemple, dans l’équilibre géométrique d’un dimère linéaire de molécules d’eau HO-H….OH2, la molécule d’eau accepteuse de protons a transféré environ 0.05Ɲ à la molécule d’eau donneuse de protons. L’énergie attractive associée à ce transfert de charge est appelée énergie de transfert de charge.
C’est l’action simultanée de plusieurs de ces interactions qui rend effective l’inclusion spécifique, les phénomènes de reconnaissances moléculaires étant dus à la coopération de multiples interactions faibles. Ce phénomène d’inclusion-complexation ne fait intervenir aucune liaison covalente mais uniquement des forces telles que les liaisons hydrogène ou des interactions de Van der Waals, ce qui permet ainsi à la molécule invitée, d'ouvrir la voie à de multiples applications [22].
I.6.Utilisation des cyclodextrines
Grâce à leur faible toxicité, le champ d'utilisation des cyclodextrines est très large, elles ont des applications multiples aussi bien en pharmacie et en agroalimentaire qu'en chimie organique et en chromatographie.
L'intérêt majeur des cyclodextrines est l'encapsulation moléculaire des molécules lipophiles. En effet, les complexes d'inclusion modifient les propriétés, notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité de la molécule invitée.
Les cyclodextrines sont souvent utilisées en reconnaissance chirale des molécules invitées ou bien comme vecteurs en industrie pharmaceutique (solubilité, stabilisation, masquage d'effets secondaires, augmentation de la biodisponibilité de principe actifs) et stabilisateurs des molécules fragiles (volatiles sensibles à la lumière, dégradable par oxydation,…). Elles sont utilisées pour la séparation des énantiomères en électrophorèse capillaire, en chromatographie en phase gazeuse, en chromatographie liquide à haute performance et aussi comme modèles d'enzymes artificielles.
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Les applications des cyclodextrines se sont beaucoup développées ces dernières années.
Actuellement, de par leurs propriétés antimicrobiennes, de nouvelles applications des CDs sont apparues telles que le traitement de la maladie d'Alzheimer et l’hypercholestérolémie [23-24].
I.7.Les techniques de préparation des complexes avec les cyclodextrines
Plusieurs techniques permettent la formation de complexe avec les cyclodextrines, parmi lesquelles, on peut citer [25].
I.7.1.La Co-précipitation
Cette méthode est la plus utilisée. Après dissolution de la CD-S dans une quantité d'eau sous agitation, la molécule invitée est ajoutée. La concentration de la CDs peut atteindre jusqu’à 20% (v/v). Le précipité formé peut être collecté par décantation, centrifugation ou filtration. Il peut être lavé avec de l’eau ou tout autre solvant miscible dans l’eau tel que l’éthanol, le méthanol ou l’acétone.
Le principal inconvénient de cette technique est lié au volume, du fait de la solubilité limitée de la CD, des grandes quantités d’eau sont nécessaires. La formation d’un complexe solide ou semi-solide peut être optimisée par l’utilisation d’additifs tels que l’éthanol. Selon la quantité d’eau utilisée pour le complexe, on obtient un Co-précipité, une suspension ou une pâte solide.
I.7.2. Complexation par extrusion
La CD, l’invité et l’eau sont mélangés au fur et à mesure dans l’extruder. Le degré de mélange, la température de chauffe et le temps peuvent être contrôlés dans la cuve de l’extruder.
Selon la quantité d’eau initiale, le complexe extrudé peut être séché en le refroidissant ou dans un four. Le principal avantage de cette technique est la continuité du processus et l’utilisation d’une faible quantité d’eau. Son inconvénient est que la chaleur générée dans l’extruder peut causer la dégradation de certaines molécules invitées thermolabiles.
I.7.3. Complexation par malaxage physique
Parfois le complexe d’inclusion peut être obtenu directement par simple malaxage de l’invité et de la cyclodextrine ensemble. Cette méthode est appliquée pour les invités liquides ou huileux.
Le temps de mélange nécessaire dépend de la nature de l'invitée.
13
Généralement, ce protocole est réalisé à température ambiante. Son principal avantage est l’absence d’eau, sauf pour le rinçage, alors que son inconvénient est l’obtention d’un mélange incomplet conduisant à une complexation insuffisante.
I.7.4. Complexation en suspension
Une faible quantité d'eau est ajoutée à la cyclodextrine pour former une suspension. La substance invitée est dissoute dans une quantité de solvant et ajoutée à la suspension de la cyclodextrine. Le complexe résultant peut être séché directement ou lavé avec une petite quantité d'eau et rassemblé par filtration ou centrifugation. La suspension formée est séchée donnant une masse dure ou bien une poudre fine, ceci dépend de l'invité et la quantité d'eau utilisée dans la suspension.
I.8.Avantages de la complexation
L'inclusion d'une molécule invitée dans une CD constitue donc une encapsulation moléculaire [26] susceptible de modifier les propriétés physicochimiques, voire biologiques, du substrat. Les avantages qui en découlent sont multiples :
Protection de l’invité contre la dégradation thermique ou photochimique, l’oxydation, l'hydrolyse ou la sublimation ;
Amélioration de la biodisponibilité, l’hydrosolubilité et la stabilité de l’invité ;
diminution de la volatilité des produits en augmentant leur point d'ébullition.
I.9.Conséquences de la complexation
L’inclusion des molécules invitées dans la cavité des CD constitue une encapsulation moléculaire et ces molécules voient leurs propriétés physicochimiques modifiées. Parmi ces modifications, on peut citer [27-28].
L’amélioration de la dissolution et de la solubilité du soluté et l’augmentation de sa biodisponibilité (dans le cas de principes actifs) ;
La modification de ses propriétés spectrales (déplacements chimiques en RMN, longueur d’onde du maximum d’absorption en UV, intensité de la fluorescence, etc) ;
La modification de sa réactivité (en règle générale diminuée). Le soluté bénéficie ainsi d’une protection contre la dégradation thermique ou photochimique, l’oxydation, l’hydrolyse et voit sa stabilité accrue ;
La diminution de sa diffusion, de sa volatilité et de sa sublimation.
14
De nombreuses techniques d’analyses physico-chimiques, telles que la spectroscopie UV- visible, la spectroscopie de fluorescence, l’analyse cristallographique, la spectroscopie RMN, la spectrométrie de masse ou bien encore des méthodes d’analyses électrochimiques, permettent de mettre en évidence, de caractériser et de déterminer les constantes d’association de ces complexes [29-30-31-32].
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Chapitre II : médicaments
antihypertenseurs et synthèse de la
molécule cible
15
II.médicaments antihypertenseurs et synthèse de la molécule cible
II.1. Généralité
L’hypertension artérielle est une pathologie très fréquente chez les personnes âgée, elle présente un problème de santé majeur, cette affection représente le problème de risque majeur sur le plan cardiovasculaire et aboutit à plus ou moins long terme à des atteintes viscérales par lésions artériolaires touchant de façon privilégiée le cerveau, le cœur et les reins [1]. On définit comme la valeur de pression artérielle pour laquelle l’excès de risque associé justifie une prise en charge thérapeutique [2].
La pression artérielle est une force latérale exercée par le sang par unité de surface pariétale [3]. Elle est déterminée par le débit cardiaque, le volume sanguin et les résistances périphériques [2].
PA : pression artérielle.
RAp : résistance artérielle périphérique.
Dc : débit cardiaque.
L’hypertension artérielle résulte d’après l’équation ci-dessus :
Soit d’une augmentation du débit cardiaque avec résistances normales.
Soit d’une augmentation des résistances avec débit cardiaque normale.
Dans la grande majorité des hypertensions permanentes, le débit cardiaque est normal et l’élévation de la pression est à l’augmentation des résistances périphériques [1].
II.2. Les médicaments antihypertenseurs
Les antihypertenseurs sont des médicaments de structures chimiques souvent très différentes qui font baisser la tension artérielle. Ces médicaments doivent être administrés au long cours et à doses suffisantes pour ramener les chiffres tensionnels à la normale. Quatre familles principales d'antihypertenseurs sont recommandées par la haute autorité de santé (HAS) [4] :
PA = RA
p× D
c16
les diurétiques ;
Médicaments à impact adrénergique ;
Médicaments interférant avec le système rénine-angiotensine ;
Médicaments actifs sur les canaux ioniques.
Dans ce chapitre on s’intéresse aux médicaments actifs sur les canaux ioniques.
II.2.1.Médicaments interférant avec les canaux ioniques
Les canaux ioniques sont des protéines transmembranaires perméables à un ou plusieurs ions (Figure II.1). Il existe de nombreux types des canaux ioniques. Ils peuvent être sélectivement perméables à un ion tel que le sodium, le calcium, le potassium ou l'ion chlorure, ou bien à plusieurs ions à la fois. Les canaux ioniques sont présents dans la membrane de toutes les cellules. Ils ont un rôle central dans la physiologie des cellules excitables comme les neurones ou les cellules musculaires et cardiaques.
Figure II. 1 : structure d’un canal ionique [5].
Les canaux ioniques peuvent se trouver dans différents états: canal ouvert, canal fermé, et pour certains, canal inactivé (Figure II.2).
lorsqu’il est fermé, le canal adopte une structure tridimensionnelle qui ne permet pas le passage des ions à travers la membrane plasmique. Il n’y a pas d’échange possible entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule ;
suite à un stimulus, la conformation spatiale du canal peut être modifiée. Ce dernier se trouve alors capable de laisser passer des ions. Nous dirons que le canal est ouvert [6].
17
par la suite, le canal peut retrouver son état d’origine ou encore passer par une autre conformation (canal inactivé) qui est un état réfractaire à l’activation.
Figure II. 2 : représentation schématique des différents états dans lesquels peut se trouver un canal ionique [6].
Les vasodilatateurs sont des médicaments qui agissent sur les canaux ioniques ils se divisent en deux groupes (Figure II.3) :
Figure II.3 : les deux groupes des médicaments vasodilatateurs [7].
II.2.2.Les activateurs des canaux potassiques
Les canaux potassiques sont des entités moléculaires qui catalysent la diffusion directionnelle et sélective de 106 à 108 ions potassium (K+) du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire.
Le rôle important, connu de ces canaux, est celui de la régulation de plusieurs processus physiologiques à savoir le contrôle du volume cellulaire, du potentiel
18
membranaire, de l’excitabilité neuronale, et de la sécrétion des sels, hormones, et des neurotransmetteurs [8].
En 1983 Noma découvre l’apparition d’un courant potassique sortant au niveau de la cellule cardiaque lorsque la concentration intracellulaire en adénosine-5-triphosphate (ATP) est diminuée. Il caractérise ce courant au niveau d’un canal isolé qui fût alors appelé canal potassique sensible à l’ATP et noté canal KATP [5].
Ces nouveaux canaux en suite ont été identifiés dans de nombreuses autres cellules :
les cellules β pancréatiques ;
les cellules musculaires lisses vasculaires ;
les cellules musculaires striées ;
les neurones ;
les cellules de l’adénohypophyse ;
L’hypothalamus [9].
II.2.3. Structure des canaux KATP
Les KATP sont des complexes protéiques, ils adoptent une structure octamérique
(Figure II.4), résultant d’un assemblage, selon une stœchiométrie 4:4 de sous unités Kir (α) délimitant le pore du canal rectifiant entrant, sélectif au potassium, et de sous unités SUR (β) du récepteur sulfonylurée [8].
FigureII.4 : Structure octamérique des KATP [8].
La sous unité SUR interagit rapidement et s’associe fortement, par son domaine N- terminal, avec des monomères de Kir en stabilisant et modulant leur adressage et leur ouverture [8].
19 II.2.3.1.Rôle physiologique des canaux KATP
En raison de l’existence d’un gradient de concentration de l’ion potassium entre les milieux intra et extracellulaires, l’ouverture des canaux KATP entraîne la sortie d’ions K+ vers le milieu extracellulaire. Ce mouvement ionique engendre l’apparition d’une hyperpolarisation de la membrane plasmique (déplacement du potentiel membranaire vers des valeurs plus négatives) [6].
De ce fait, la cellule se trouve dans un état de «repos» ou de non excitabilité. À l’inverse, la fermeture de ces canaux peut conduire à l’établissement d’un potentiel membranaire plus positif et donc à une dépolarisation de la membrane. Cette dépolarisation peut engendrer toute une série de réponses intracellulaires via, par exemple, l’entrée d’ions calcium [6].
L’augmentation de la concentration intracellulaire en Ca2+qui déclenche la contraction musculaire par l’interaction entre l’actine et la myosine. Or, par leur effet sur le potentiel membranaire et leur influence subséquente sur les flux d’ions Ca2+ via des canaux calciques potentiel-dépendants, les canaux KATP influencent fortement cette concentration et contrôlent.
de manière indirecte, la contractilité cellulaire. L’activation des canaux potassiques sensibles à l’ATP au niveau de la fibre musculaire lisse prévient l’entrée de calcium dans la cellule et induit une relaxation musculaire cette concentration et contrôlent de manière indirecte la contractilité cellulaire (Figure II. 5) [6].
Schéma II.5: Rôle des canaux KATP dans les cellules musculaires lisses [8].
20 II.2.3.2. Les activateurs des canaux KATP
Ce sont des molécules capables d’induire l’ouverture des canaux KATP elles sont notée PCOs
«Potassium Channel Openers» ces drogues sont susceptibles de constituer de nouveaux agents thérapeutiques utiles dans le traitement de très multiples pathologies, tels que :
l’hypertension artérielle ;
l’asthme ;
l’angine de poitrine [8-9].
La plupart des développements pharmacologiques autour des activateurs des canaux KATP ont eu pour cible principale la fibre musculaire lisse vasculaire dans le but de découvrir de nouveaux agents antihypertenseurs. Ces recherches ont permis l’identification de plusieurs composés relativement puissants sur ce tissu. Ces composés ont donné naissance aux principales familles de PCOs qui sont regroupés selon des critères chimiques en:
les benzopyranes et les dihydrobenzopyranes, analogues du cromakalim ;
les cyanoguanidines, analogues de pinacidil ;
Les benzothiadiazines dioxides, analogues de diazoxide ;
Les dérivés dunicotinamide, analogues de nicorandil ;
Les pyrimidines N-oxides sulfates, analogues de sulfate de minoxidil (Schéma II.1) [8].
O OH N NC
O
Cromakalim Famille des Benzopyranes
N
NH N
NH Pinacidil Famille des Cyanoguanidines
CN Cl
NH N S
CH3
O O
Diazoxide Famille des Benzothiadiazine
N
O
NH
O NO2
Nicorandil Famille des Nicotinamides
N N
N NH2
NH2 OSO3
sulfate de Minoxidil Famille des Pyrimidines
Schéma II.1: principales familles d’activateurs des canaux KATP [6-10].
21 II.2.4.Les benzopyranes
Le prototype représentant cette famille d’activateurs est le cromakalim ou (BRL34915) (Schéma II.2), il était le premier développé comme ouvreur spécifique et son mécanisme d’action a été rapporté en 1986 par Weston et Coll. par comparaison avec le nicrandil, le cromakalim qui est 100 fois plus actif semble agir exclusivement par activation des canaux KATP.
O
OH N
NC
O
Cromakalim
Schéma II.2: structure chimique du cromakalim.
En raison de problème de toxicité, en particulier au niveau rénal, le développement du cromakalim a été suspendu en faveur de l’énantiomère lévogyre, le BRL 38227 ou encore appelé levcromaklim [11].
II.2.5.Pharmacomodulations effectuées autour du cromakalim
Plusieurs analogues du cromakalim ont été synthétisés, récemment, deux grandes séries de composés reliés structurellement au cromakalim ajoutant une fonction hybride comme la sulfonylurée, ou la thiourée, en position 4 du cycle benzopyranique (schéma II.3). Deux type de molécules ont montrés un très bon effet vasodilatateur sur l’aorte de rat précontracté par le KCl 30 mM [11].
Schéma II.3: pharmacomodulations effectuées sur le Cromakalim [12-13].
O
HN N
O S
X
O O
Y R
O
HN N
H
S R
X
Smail KHELI LI and all, 1999, 2006 Sophie SEBILLE and all, 2005 O
OH N
N C
O
Cromakalim Ben zopyra
n-thiou rea hybrides Benzopyran-sulfonylurea
hybrides
