Projet ANR-12-BSV5-0016 – STARLET : Effets thérapeutiques de polymères mannosylés synthétiques capables de contrôler les infections chroniques ntestinales à Escherichia coli en interagissant avec la dynamique de glycosylation des cellules hôtes
Programme : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Julie BOUCKAERT (Unite de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle (UGSF), Université des Sciences et Technologies de Lille)
Partenaires : Chimie et Interdisciplinarité : Synthèse, Analyse, Modélisation; Ingénierie des Matériaux Polymères; Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle; Microbes, Intestin, Inflammation et Susceptibilité de l'Hôte
Montant : 453685.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Anti-adhésif carbohydrate polymères contre les infections chroniques intestinales à Escherichia coliEffets thérapeutiques de polymères mannosylés synthétiques capables de contrôler les infections chroniques intestinales à Escherichia coli eninteragissant avec la dynamique de glycosylation des cellules hôtes
Dynamique de glycosylation sur les surfaces cellulaires lors d'infections bactériennesEn identifiant les facteurs de l'interaction hôte-pathogène dans les infections bactériennes par l’analyse structurale de glycanes, nous espérons générer des agents antibactériens originaux qui n’entraînent pas la résistance à long terme, mais qui éliminent efficacement les bactéries indésirables après administration orale de ces molécules générées. Cette approche douce d’élimination des bactéries non désirées permettrait à l'organisme de récupérer d’infections aigues de longue durée associées à E. coli, telle que la maladie de Crohn.
Création de polymères glucidiques et ses blocs de construction monomériques idéalesNous analysons l'influence de l'adhérence des bactéries sur la glycosylation des cellules épithéliales superficielles au cours de l’inflammation. En particulier, nous projetons pour déterminer les structures des glycanes induits lors de l’interaction entre un facteur d’adhésion des bactéries AIEC nommé FimH et la muqueuse intestinale, afin d'utiliser ces structures de glycanes dans la conception des glycanes (polyvalents) commes antiadhésifs antagonistes. Une nouvelle génération de composés sera créée avec le potentiel de maximiser les effets antiadhésifs. Les plus puissants inhibiteurs seront administrés par voie orale, dans le modèle de souris transgénique exprimant les glycoprotéines récepteurs d'adhérence bactérienne, avant ou après l'infection avec adherent-invasive Escherichia coli, afin d'analyser leurs valeurs préventives ou curatives sur la colonisation de l'intestin et la  rectocolite ulcéro-hémorragique.
Résumé de la soumission : Plusieurs études ont montré la possibilité d’inhiber l’adhésion cellulaire de bactéries E. coli à fimbriae de type 1, en utilisant des mannosides. Nous avons notamment identifié un sucre à structure simple, l’heptyl-a-D-mannose, qui est un inhibiteur nanomolaire de la lectine FimH, impliquée dans ces phénomènes de reconnaissance. De façon surprenante, l’adhésion bactérienne, qui constitue la première étape d’infection, est spécifiquement observée sur certaines lignées de cellules épithéliales et est singulièrement accrue chez les patients souffrant de troubles métaboliques comme le diabète mellitus (au niveau du conduit urinaire) et les maladies inflammatoires de l'intestin. Une compréhension des phénomènes biologiques intimes régulant ces interactions cellules-pathogènes, permettrait une conception rationnelle de drogues anti-adhésives des infections chroniques générées par E coli. Le cycle infectieux des bactéries uropathogéniques E. coli a été étudié de façon rigoureuse dans le groupe de Scott Hultgren à l’université de St. Louis, Missouri, aux Etats-Unis. Il existe maintenant des données probantes qui indiquent que l‘invasion bactérienne et leur survie dans les cellules hôtes infectées, sont directement corrélées au degré d’expression de certains récepteurs hautement mannosylés et a forte affinité, qui tapissent la surface de ces cellules. La présence de ces structures glycosidiques erronées est liée à des troubles métaboliques communs.L’objectif de ce travail est de développer des polymères synthétiques mannosylés qui soient des inhibiteurs puissants de l’adhésion bactérienne E. coli initié par les fimbriae de type 1. Cet objectif ambitieux sera atteint par des interactions mutuelles et planifiées entre des équipes de chimistes organiciens, biochimistes et biologistes, qui synthétiseront les structures, étudieront leurs propriétés d’interactions avec les récepteurs bactériens, et valideront l’approche thérapeutique chez l’animal. Des approches originales et innovantes se retrouveront dans ce triptyque. La méthodologie spécifique envisagée pour l’obtention d’inhibiteurs hétérocycliques mannosylés, qui seront ensuite greffés par la technique RAFT pour conduire à des polymères multivalents à structures et gradients de densité contrôlés, constitue une approche chimique novatrice. Une analyse complète des interactions multivalentes entre les polymères synthétiques et FimH par calorimétrie, SAXS-DLS et AFM permettra d’identifier de façon rigoureuse les molécules les plus prometteuses, tout en fournissant des informations précieuses sur les modes d’interactions multivalents opérant avec la bactérie. Dans ce cadre, le niveau de résolution important propre à l’AFM constitue un atout majeur. En complément de l’étude, nous éluciderons la structure et la multiplicité, ou densité, des glycans naturels situés sur les récepteurs intestinaux qui déterminent les infections chroniques par E. coli. La dynamique structurale de ces glycans en fonction de l’adhésion ou de l’inflammation sera également étudiée. Finalement, les outils synthétiques développés a base de ces nouvelles structures découvertes seront testés sur leur valeur thérapeutique dans la modèle murin CEABAC10 de la maladie de Crohn.
Résultats : Pendant les premiers 18 mois du projet ANR, une bibliothèque de glycopolymères bien définis avec des homo - ou hétérocompositions, des topologies et architectures différentes ainsi qu’une variation de densité (soit réparties en gradient ou en hasard) a été créée à partir de notre bloc de construction de référence, l’heptyl a-D-mannose. En outre, nous avons développé une méthodologie synthétique pour construire des hétérocycles anomériques (pyrimidines et thiazoles) sur le sucre mannose. Ce procédé chimique donne accès à une nouvelle classe d’inhibiteurs de FimH non accessibles par des réactions de glycosylation classiques. Comme les autres sucres peuvent être fonctionnalisés par ces techniques, cette stratégie de cyclisation ne se limite pas seulement à la conception d'inhibiteurs de FimH mais également à la conception d’antagonistes de sucre d'autres lectines biologiquement pertinentes. D’autres monomères constitutifs dirigés vers les interactions plus spécifiques et de plus haute affinité avec l'adhésine FimH, sont en cours d’élaboration.
Perspectives : Nous avons identifié avec succès un composé interagissant fortement avec FimH basé sur la co-crystallisation obtenue. Nos efforts porteront sur la compréhension des interactions de ces mannosides polymèriques, qui sont supérieures en adhérence grâce à la géometrie des complexes avec l’adhésine FimH et avec les bacteries ciblées.
Publications et brevets : (2014) Discovery and application of FimH antagonists. Sebastien Gouin, Goedele Roos and Julie Bouckaert. Chapter in: Topics in Medicinal Chemistry : Carbohydrates as Drugs. Volume Editors: Dr. Peter H. Seeberger, Dr. Christoph Rademacher. ISSN 1862-2461, DOI 10.1007/7355_2014_52. 
(2013) Brument S., Sivignon A., Dumych T.I., Moreau N., Roos G., Guérardel Y., Chalopin T., Deniaud D., Bilyy R.O., Darfeuille-Michaud A., Bouckaert J.*, Gouin S.G.* Thiazolylaminomannosides as potent anti-adhesives of type 1 piliated Escherichia coli isolated from Crohn’s disease patients J. Med. Chem. 56 (13), 5395–5406. 
(2013) Bouckaert J, Li Z, Xavier C, Almant M, Caveliers V, Lahoutte T, Weeks SD, Kovensky J, Gouin SG. Heptyl a-D-Mannosides Grafted on a ß-Cyclodextrin Core to Interfere with Escherichia coli Adhesion: An In Vivo Multivalent Effect. Chemistry, a European Journal 19 (24):7847-55. 
European patent n° 12305906.5 submitted 2012-07-24, entitled “Mannose derivatives, a process for preparing the same and their uses as a drug” published 29 January 2014 in the European patent bulletin under number 2690105. 
European patent n° 14305107.6 submitted 2014-01-24, entitled “Orally administered mannosides, a process for preparing the same and their uses as anti-adhesive drugs for treating E. coli induced inflammatory bowel diseases such as Crohn’s disease”.