Projet ANR-13-BS07-0011 – AMICAL : L'aventure de l'hémicalide: Synthèse totale, conception d'analogues et évaluation biologique
Programme : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur MEYER Christophe (Laboratoire de Chimie Organique ESPCI ParisTech)
Partenaires : Laboratoire public; Chimie, Biologie, Innovation; Chimie Organique, Médicinale et Extractive et Toxicologie Expérimentale; Laboratoire public
Montant : 489840.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : L'aventure de l'hémicalide: Synthèse totale, conception d'analogues et évaluation biologiqueL’identification de composés antitumoraux agissant selon un nouveau mécanisme d’action est un enjeu considérable en chimiothérapie anticancéreuse. Dans ce contexte, l’objectif du projet AMICAL est la synthèse totale de l’hémicalide, un nouveau polycétide isolé d’extraits de l’éponge marine Hemimycale sp., qui possède une puissante activité antiproliférative contre diverses lignées de cellules cancéreuses et un mécanisme d’action différent des autres antimitotiques connus à activité antitubuline.
Synthèse totale de l’hémicalide : Vers le développement de nouveaux agents antitumorauxDepuis plus d’une trentaine d’années, les produits naturels ont joué un rôle important dans le traitement du cancer. Actuellement, la découverte de composés possédant un nouveau mécanisme d’action est un enjeu considérable pour le développement de chimiothérapies anticancéreuses permettant de contrer les phénomènes de résistance ou de pallier l’inefficacité des traitements actuels. Lors d’une campagne de recherche de nouveaux composés cytotoxiques naturels, des chercheurs Français de l’unité mixte CNRS-Pierre Fabre, en association avec l’IRD, ont isolé un nouveau polycétide d’extraits de l’éponge marine Hemimycale sp., collectée en eaux profondes dans le Pacifique sud. Ce nouveau produit naturel, l’hémicalide, est un puissant agent antimitotique possédant une activité antiproliférative contre diverses lignées de cellules cancéreuses à des concentrations inférieures au nanomolaire. Les études d’immuno-cytochimie ont montré que l’hémicalide agissait par déstabilisation du réseau de microtubules alpha/bêta avec un mécanisme différent des autres antimitotiques possédant une activité antitubuline. Cependant, la faible quantité d’hémicalide isolée n’a pas permis une étude approfondie de sa structure tridimensionnelle et de ses propriétés biologiques. L’objectif du projet est le développement d’une voie de synthèse efficace de l’hémicalide, et/ou de stéréoisomères, et l’accès à des analogues simplifiés pour établir des relations de type structure-activité. Pour les chimistes de synthèse, l'hémicalide constitue une cible fascinante en raison de sa structure complexe, son squelette à 46 atomes de carbones incorporant 21 centres stéréogènes et des motifs de type delta-lactone originaux. Un des enjeux majeurs est de contribuer, par le biais de la synthèse totale et la mise au point de stratégies innovantes, au développement d’un nouveau produit naturel comme agent anticancéreux innovant, et à l’identification de nouvelles cibles biologiques ou de mécanismes d’action originaux.
Synthèse totale de l’hémicalide : Préparation et couplage des sous-unités. Méthodes et stratégies innovantes.L’hémicalide est une cible ambitieuse dont la synthèse totale requiert le développement d’une approche synthétique convergente. Cette approche doit également être suffisamment flexible afin de pouvoir accéder à plusieurs diastéroisomères à un stade avancé de la synthèse, modifier l’ordre des réactions de couplage et envisager des solutions alternatives, au cas où des difficultés seraient rencontrées. Le plan de synthèse de l’hémicalide a été élaboré sur la base de résultats antérieurs au financement du projet et il a été envisagé d’obtenir ce polycétide naturel à partir de trois fragments principaux. Le développement de voies d’accès efficaces aux trois sous-unités ainsi que l’attribution de la configuration de leurs centres stéréogènes constitue la première phase du projet. L’objectif est de tirer profit des défis synthétiques rencontrés pour développer des méthodes de synthèse sélectives et des stratégies innovantes. La seconde phase du projet correspond à l’assemblage des sous-unités précédemment synthétisées grâce à des réactions de couplage appropriées et chimiosélectives, afin d’accéder à l’hémicalide et/ou des stéréoisomères. Une fois les réactions de couplage mises au point, la synthèse d’analogues structuraux simplifiés de l’hémicalide pourra être envisagée. Au cours de l’avancement du projet, l’activité biologique des composés préparés (intermédiaires synthétiques après coupure des groupes protecteurs, analogues structuraux simplifiés) sera évaluée dans le but d’établir des relations de type structure-activité.
Résumé de la soumission : Malgré les progrès considérables qui continuent d'être accomplis en matière de dépistage et de traitement, le cancer reste un problème majeur de santé publique et va devenir l’une des premières causes de mortalité dans le monde au cours du 21ème siècle. Depuis plus d’une trentaine d’années, les produits naturels ont joué un rôle important dans le traitement du cancer. En effet, plus de 60% des médicaments utilisés en chimiothérapie anticancéreuse sont d´origine naturelle, ou issus de modifications de produits naturels. A l’heure actuelle, la découverte de composés possédant un nouveau mécanisme d’action représente un enjeu considérable pour le développement de nouvelles chimiothérapies anticancéreuses permettant de contrer les phénomènes de résistance ou de pallier l’inefficacité des traitements actuels contre certaines tumeurs. Dans ce contexte, lors d’une campagne de recherche de nouveaux et puissants composés cytotoxiques naturels, des chercheurs Français de l’unité mixte CNRS-Pierre Fabre, en association avec l’Institut de Recherche pour le Développement, ont récemment isolé un nouveau polycétide d’extraits de l’éponge marine Hemimycale sp., collectée en eaux profondes autour des îles Torres (archipel du Vanuatu) dans le Pacifique sud. Ce nouveau produit naturel, baptisé hemicalide, s’est révélé être un puissant agent antimitotique possédant une activité antiproliférative contre diverses lignées de cellules cancéreuses à des concentrations inférieures au nanomolaire. En outre, les études d’immunocytochimie ont indiqué que l’hémicalide agissait par déstabilisation du réseau de microtubules alpha/bêta avec un mécanisme différent des autres composés antimitotiques possédant une activité antitubuline tels que les taxoïdes ou les alcaloïdes du groupe Vinca. Cependant, la faible quantité d’hémicalide isolée à partir de la biomasse n’a pas permis une étude plus approfondie de sa structure tridimensionnelle et de ses propriétés biologiques. Le mode d’action apparemment original de ce nouveau produit naturel cytotoxique incite fortement la poursuite d’investigations biologiques plus détaillées. Cependant, comme son isolement à partir de l’éponge marine n’est pas une solution viable et étant donné que le micro-organisme potentiellement responsable de la production d’hémicalide comme métabolite secondaire n’a pas été identifié, la synthèse totale apparait la seule alternative possible d’obtention de ce produit naturel à l’heure actuelle. Ainsi, les travaux de recherche envisagés impliquent la mise au point d’une voie de synthèse efficace de l’hémicalide et/ou de stéréoisomères, l’attribution de la configuration de ses centres stéréogènes et l’accès à des analogues simplifiés permettant d’établir des relations de type structure-activité. Encouragés par l’unité mixte de recherche CNRS-Pierre Fabre, en charge des tests biologiques, le laboratoire de chimie organique de l’ESPCI et le laboratoire « synthèse et structure de molécules d’intérêt pharmacologique » de l’Université Paris Descartes ont décidé d’associer leurs compétences et leur savoir-faire en synthèse totale de produits naturels pour poursuivre l’aventure de l’hémicalide. L’objectif ambitieux de ce programme de recherche est de contribuer, par le biais de la synthèse totale, au développement d’un nouveau produit naturel comme agent anticancéreux innovant. Ces recherches pourraient conduire, à terme, à l’identification de nouvelles cibles biologiques et à la mise en évidence de mécanismes d’action encore inexplorés à ce jour en chimiothérapie anticancéreuse. Pour les chimistes de synthèse, l'hémicalide constitue également une cible fascinante en raison de sa structure complexe, son squelette à 46 atomes de carbones incorporant 21 centres stéréogènes et des motifs de type delta-lactone originaux. Des résultats préliminaires encourageants ont déjà été obtenus indiquant que l'objectif du projet peut être atteint et stimulant le développement de stratégies de synthèse efficaces et innovantes.
Résultats : Le projet AMICAL a débuté par la préparation de deux sous-unités de complexité structurale similaire (C16–C27 et C28–C46) requises pour la synthèse totale de l’hémicalide, la synthèse du troisième fragment (C1–C15) ayant déjà fait l’objet de travaux antérieurs. Après 18 mois, des voies de synthèse stéréosélectives de ces deux sous-unités ont été développées avec succès. La configuration relative des centres stéréogènes inclus dans le fragment C36-C42 de l'hémicalide, qui était encore inconnue, a été déterminée par synthèse de substrats modèles diastéréoisomères et comparaison des spectres de RMN avec ceux du produit naturel. Le rendement et la diastéréosélectivité de certaines étapes restent à optimiser, avant transposition à plus grande échelle, mais les stratégies de synthèse des deux sous-unités  (C16–C27 et C28–C46) sont à présent validées. De plus, une nouvelle méthode de synthèse stéréosélective de lactones cycliques insaturées à six chaînons alpha-hydroxylées a été mise au point dans le cadre du projet.
Perspectives : Le projet avance à bon rythme et les interactions entre les différents partenaires sont stimulantes. L’objectif prioritaire est à présent d’achever la synthèse des sous-unités C16–C27 et C28–C46 et d’étudier la faisabilité des réactions de couplage qui permettront d'accéder à l’hémicalide et/ou ses stéréoisomères. L’activité biologique d’analogues structuraux simplifiés de l’hémicalide, incorporant notamment le fragment C16–C46, sera évaluée afin d’étudier l’importance des deux delta-lactones hydroxylées du produit naturel.
Publications et brevets : Depuis 2013, les travaux consacrés à la synthèse totale de l’hémicalide ont donné lieu à trois articles, publiés dans des journaux à fort facteur d’impact, un de ses articles (Organic Letters 2015, 17, 2446) correspondant à une partie des travaux entrepris depuis le financement du projet AMICAL. Les résultats obtenus ont été présentés lors d’une conférence invitée, deux communications orales et cinq communications par affiches dans diverses manifestations scientifiques nationales.