Projet ANR-12-ISV5-0001 – MITO-CO : Translational and mechanistic studies on carbon monoxide as a modulator of neuroinflammation and neuroprotection
Programme : Blanc International II - SVSE 5 - Physique, Chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc Inter II - SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Roberto MOTTERLINI (Equipe 3, INSERM U955, University Paris-Est)
Partenaires : CEDOC Chronic Diseases Research Center , Faculdade de Ciencia Médicas; Institut Mondor de Recherche Biomédicale; Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est
Montant : 399620.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Exploitation du monoxyde de carbone comme agent thérapeutique pour le traitement de la neuro-inflammationLe monoxyde de carbone (CO) est un gaz toxique lorsqu'il est inhalé en concentration élevée. Cependant, toutes les cellules de mammifères en produisent de petites quantités aux effets physiologiques importants tels que la relaxation des vaisseaux sanguins ou l’activité anti-inflammatoire. Dans ce projet, nous étudions la possibilité d’utiliser le CO à des fins thérapeutiques.
Développement de nouvelles stratégies visant à réduire la neuro-inflammation et augmenter la neuroprotectionNotre objectif consiste à développer de nouvelles approches méthodologiques permettant par une libération contrôlée de CO, d’atténuer les lésions tissulaires, ainsi que l'inflammation de la zone cérébrale. Il est à noter que l’administration de CO gazeux par l'inhalation via les poumons, ne peut pas être facilement contrôlée, dans la mesure où le CO se lie alors à l'hémoglobine, compromettant ainsi fortement la livraison d'oxygène à l'organisme. Pour contourner cet obstacle, nous suivons une stratégie pharmacologique basée sur notre découverte du fait que certains produits chimiques (appelés CO-RMs) peuvent être utilisés pour apporter aux cellules et aux tissus, des quantités précises et contrôlées de CO. Nous avons ainsi synthétisé une nouvelle classe de CO-RMs capables à la fois de maximiser le dégagement de CO et d’améliorer simultanément la production de CO intracellulaire par activation enzymatique de l'hème oxygénase-1 (HO-1). Les objectifs du projet sont: 1) évaluer l'efficacité de ces nouveaux CO-RMs comme agents anti-inflammatoires et neuroprotecteurs, en utilisant pour cela des cultures de cellules dérivées du cerveau (microglie et les astrocytes); 2) étudier le mécanisme d'action du CO et des CO-RMs sur les mitochondries et vérifier si l'interaction du CO avec ces organelles affecte les réactions inflammatoires, le métabolisme cellulaire et la modulation de la mort cellulaire dans la microglie et les astrocytes; 3) étudier comment le CO et les CO-RMs influencent l'interaction entre les neurones, la microglie et astrocytes dans la promotion de la neuroprotection contre l'ischémie cérébrale.
Stratégies visant à augmenter la liberation et la production de CO dans les tissusL’approche chimique suivie nous a amené à concevoir et synthétiser une nouvelle classe de composés hybrides à double bioactivité afin d'optimiser la livraison de quantités précises de CO aux cellules et tissus. Nous avons également mis au point un dispositif permettant de mesurer en temps réel les effets du CO sur la fonction mitochondriale dans les conditions physiologiques de l'oxygène. Ces deux technologies vont nous permettre de mieux définir le(s) mécanisme(s) d’action du CO dans le cadre de la neuro-inflammation et de la neuroprotection.
Résumé de la soumission : Une neuroinflammation exacerbée et la mort des neurones sont des processus complexes qui caractérisent le développement de maladies neurodégénératives et sont impliqués dans la pathogénèse des accidents vasculaires cérébraux. Comprendre et élucider les interactions entre inflammation et dommages cellulaires neuronaux, au moyen d’approches innovantes, tant méthodologiques que conceptuelles, qui pourraient conduire à de nouvelles thérapies représente un enjeu majeur. Des découvertes émergentes font du monoxyde de carbone (CO) un agent cytoprotecteur et anti-inflammatoire. Ce gaz, produit de manière endogène suite à la dégradation de l’hème par l’enzyme hème oxygénase-1 (HO-1), est un transmetteur ubiquitaire nécessaire aux cellules pour contrer le stress oxydant et les dommages cellulaires. La découverte des CO-RMs, molécules capables de délivrer du CO en quantité contrôlée et exerçant des effets bénéfiques, a renforcé le concept d’utilisation thérapeutique du CO. Le mode d’action du CO et ses cibles intracellulaires sont à l’heure actuelle inconnus, néanmoins de récentes études ont montré que le CO est capable d’augmenter la respiration et la bioénergétique mitochondriales. Ce projet émet l’hypothèse selon laquelle le CO pourrait être utilisé pour moduler la neuroinflammation et la neuroprotection via une action sur les mitochondries.Nous proposons une approche globale autour de deux axes majeurs, respectivement l’utilisation de nouvelles molécules ciblant la voie de signalisation HO-1/CO, ainsi que l’étude des effets protecteurs de ces substances contre la neuroinflammation et les dommages neuronaux. Les objectifs sont les suivants : 1) création et synthèse de nouveaux composés ciblant la voie de signalisation HO-1/CO et agissant comme agents anti-inflammatoires et neuroprotecteurs putatifs. Ces molécules, synthétisées avec le concours de chimistes, seront testées sur des astrocytes (étude de variations métaboliques) et des cellules microgliales (action anti-inflammatoire). Des systèmes de co-culture astrocytes/neurones et cellules microgliales/neurones seront utilisés pour établir si la modulation de la fonction gliale par le CO affecte la protection neuronale. 2) étudier les effets du CO et la voie HO-1 sur les mitochondries et déterminer si ces effets modulent la neuroinflammation et la neuroprotection. La fonction mitochondriale, ainsi que la biogénèse, le métabolisme et la bioénergétique seront étudiés dans des cellules vivantes, ainsi que dans des mitochondries isolées après traitement par des CO-RMs et des inducteurs de la HO-1. Nous utiliserons une chambre d’hypoxie dédiée à la culture cellulaire, dans laquelle nous pouvons contrôler la tension en oxygène, ainsi qu’un analyseur XF permettant de mesurer en temps réel la glycolyse et les phosphorylations oxydatives dans les cellules. 3) validation des CO-RMs et molécules inductrices de HO-1 comme nouveaux agents thérapeutiques à l’aide de modèle in vivo d’ischémie cérébrale.Les atouts de ce projet sont l’aspect multidisciplinaire et le savoir-faire des partenaires impliqués (chimie, biologie cellulaire, pharmacologie). Drs Motterlini et Vieira partagent un intérêt mutuel pour la biologie du CO et un objectif commun, qui est la compréhension des interactions entre CO et mitochondries et les effets bénéfiques qui en découlent. De plus, ce projet commun est équilibré car il combine l’expertise du Dr Motterlini concernant les propriétés anti-inflammatoires du CO avec l’expertise du Dr Vieira concernant le métabolisme et les mécanismes de mort cellulaire. Leur expertise est nécessaire au succès de ce projet, de plus, ils représentent les 2 seuls groupes de recherche Européens à avoir démontré, indépendamment et clairement, un rôle du CO dans la bioénérgétique mitochondriale et la diminution du stress oxydant. Cette collaboration internationale représente une valeur ajoutée mais également un avantage compétitif majeur dans ce domaine de recherche.
Résultats : Nous avons synthétisé les premiers exemples de molecules «hybride CO-RM« possèdant une double activité, capables de libérer de petites quantités de CO et de stimuler simultanément la production de CO dans les cellules. En collaboration avec un groupe scientifique portugais, nous aurons l'occasion de tester les effets thérapeutiques potentiels de ces composés dans des modèles d'ischémie cérébrale et d'inflammation. Les données préliminaires ont confirmé que notre approche était réalisable. En utilisant une sonde fluorescente très sensible au CO, nous avons démontré qu'en effet, ces molécules hybrides libéraient progressivement et de manière contrôlée du CO. Lors d'un essai sur microglie, des cellules inflammatoires du cerveau, les hybrides CO-RM ont montré une meilleure capacité à réduire l'inflammation et à activer les voies cytoprotectrices intracellulaires. Il a également été montré que les CO-RMs avaient la possibilité à de faibles concentrations d'augmenter la consommation d'oxygène par les mitochondries. Les partenaires français et portugais ont la possibilité de promouvoir leurs résultats de recherche car ils sont tous deux membres du comité de direction d'une “European COST Action on gasotransmitters”.
Perspectives : Notre objectif final est d'optimiser les propriétés pharmacologiques des hybrides CO-RM et de maximiser leur potentiel thérapeutique dans le cadre du traitement de troubles neuro-inflammatoires et neurodégénératifs. Sur la base d’approches méthodologiques nouvelles, nous cherchons à identifier le mécanisme d'action par lequel le CO exerce ses effets anti-inflammatoire et cytoprotecteur chez les mammifères. Les implications de cette étude sont importantes car elles peuvent conduire à la découverte d'une nouvelle classe de médicaments, distincts de ceux classiquement utilisés.
Publications et brevets : Les données préliminaires sur l'efficacité du nouveau CO-RMs comme agents anti-inflammatoires dans les cellules microgliales ont déjà été présentées sous forme d'affiche lors du “5th International Symposium on Nutrition, Oxygen Biology & Medicine”, congrès qui s’est tenu à Paris en Juin 2013. Nous négocions actuellement avec SATT Ile-de-France Innovation pour le dépôt d'un brevet sur l'utilisation de nos nouvelles molécules hybrides comme agents thérapeutiques contre l'inflammation.