Le rôle prometteur des produits naturels dans la découverte de médicaments

Les produits naturels présentant un intérêt pour les activités biologiques sont généralement des métabolites secondaires produits par des organismes dont le but principal est de se défendre dans leur milieu de vie.

Les extraits bruts de sources terrestres et marines, ainsi que les bouillons de fermentation de micro-organismes, contiennent des composés organiques présentant des structures moléculaires particulières pouvant contribuer à la découverte de nouveaux médicaments.

Les produits d’origine terrestre, principalement dérivés de plantes, ont été étudiés depuis longtemps et trouvent des précédents dans la médecine populaire traditionnelle largement appliqué dans le passé, mais également encore utilisé par certaines populations. Les principes actifs présents dans un pourcentage élevé des médicaments actuellement utilisés sont des composés naturels, tels quels ou sous forme de molécules apparentées structurellement modifiées.

Plus récemment, et seulement depuis les années 1960, les produits naturels marins ont été étudiés pour leur potentiel pharmacologique. En raison de leur adaptation à un habitat particulier, les organismes marins produisent des métabolites présentant des structures nouvelles uniques, souvent caractérisées par la présence d’atomes d’halogénure, dérivés de sels d’halogénure dissous dans l’eau. Les éponges (porifères) dominent en tant que source de nouveaux composés (parfois produits par des relations métaboliques avec des cynanobactéries symbolitiques), avec un rapport favorable entre les métabolites actifs et inactifs.

Au cours des cinq dernières années, les champignons ont été les organismes les plus étudiés pour l’isolement de nouveaux métabolites. En raison de la prévalence des études sur les plantes terrestres et d’une plus grande difficulté à fournir des collections marines, il est une réalité que les médicaments d’origine marine sont encore une petite fraction, bien qu’un certain nombre d’entre eux soient dans un état d’essai clinique avancé. La biodiversité est associée à la chimio diversité et la grande diversité moléculaire des produits naturels est caractérisée par des structures riches en stéréocentres, généralement représentées par des atomes de carbone liés à quatre substituants différents.

Ces produits sont obtenus sous forme d’énantiomères purs car ils sont produits de manière biogénétique de façon asymétrique et sous contrôle enzymatique.

La chiralité est une caractéristique pertinente dans les systèmes vivants, comme les enzymes et les protéines impliquées dans des maladies aspécifiques, mais aussi l’ADN sont des molécules chirales capables de discriminer entre les formes spéculaires (énantiomères) d’un même médicament.

En particulier, alors qu’une forme est thérapeutiquement efficace, l’autre peut être responsable de la toxicité et de graves effets secondaires.

La thalidomide, médicament de synthèse, en est un exemple notoire : elle est administrée sous la forme d’un mélange de deux énantiomères à des femmes afin de soulager les nausées de grossesse,

un isomère a causé des dommages irréversibles au fœtus et une phocomélie.

A l’heure actuelle, l’étude des produits naturels est réalisée par une approche multidisciplinaire, en utilisant des technologies innovantes qui incluent des outils spectroscopiques et informatiques.

La chromatographie liquide à haute performance est une technique chromatographique très puissante qui permet de séparer les produits constitutifs des mélanges complexes d’extraits bruts. De plus, le couplage en ligne avec un spectromètre de masse donne une indication de la masse moléculaire de chaque composant. Parmi les techniques spectroscopiques avancées appliquées pour élucider les structures moléculaires des métabolites, la résonance magnétique nucléaire est la plus diagnostique, capable de déterminer la connectivité du squelette carboné et la position des atomes d’hydrogène.

L’évolution technologique a rendu ces méthodologies de plus en plus sensibles, de sorte qu’il suffit actuellement de quelques milligrammes d’un composé pur pour assigner sa structure moléculaire.

Un produit naturel présentant une bio activité particulière (par exemple, antibactérien, antiviral, anti tumoral) est typiquement défini comme une molécule à succès, et le processus “hit to lead” représente la première étape du développement des médicaments dits à petites molécules.

L’étape suivante de ce processus multidisciplinaire coûteux en temps et en argent est l’optimisation de la piste, suivie de l’évaluation biologique in vitro, de l’étude du mécanisme d’action, de la recherche préclinique et clinique, de l’approbation, du brevet et de la mise sur le marché.

A partir de milliers de molécules ; il est courant qu’une seule arrive à la fin après 10 à 15 ans de travail intense. En partant de molécules naturelles, le degré de réussite est plus élevé qu’en partant de molécules synthétiques, ce qui est favorisé par le fait que les médicaments inspirés par la nature trouvent leur avantage dans la sélection évolutive qui s’est produite dans la production de métabolites secondaires.

La disponibilité très rare dans la production et l’isolement des produits naturels de leur emploi dans des essais biologiques et des thérapies étendues. La synthèse organique, réalisée par une séquence de réactions à partir de composés disponibles dans le commerce, peut surmonter cet inconvénient et donner accès aux produits naturels eux-mêmes et à des analogues améliorés non naturels. Ces derniers présentent un intérêt pour les études des relations structure-activité (RAS) afin d’optimiser l’échafaudage naturel en faveur de meilleures propriétés physico-chimiques et pharmacologiques.

Une approche biomimétique, partant de substrats chiraux et de réactions se produisant avec régio- et énantio-spécificité, permet de produire avec succès en laboratoire le même isomère actif produit par la nature.

Dans le développement moderne de médicaments, des techniques informatiques sont appliquées pour le criblage in silico de vastes bibliothèques de molécules agissant comme des ligands dans leurs interactions avec des cibles macromoléculaires impliquées dans une maladie précise.

Les données expérimentales requises pour un complexe médicament-protéine sont principalement obtenues par analyse critallographique aux rayons X, mais aussi par des mesures de NMR en solution aqueuse et plus récemment par microscopie électronique cryogénique (cryo-EM). En 2017, le prix Nobel de chimie a été attribué au développement de la cryo-EM pour son application à l’imagerie des biomolécules. Au cours des dernières années, des améliorations de la sensibilité ont permis d’atteindre une résolution adéquate, de sorte que cette technique est également préférée à la cristallographie aux rayons X, en tirant parti d’un environnement d’eau vitreuse capable de fournir des données pour une condition pas si éloignée de l’état biologique effectif. Ces données expérimentales peuvent être utilisées dans le calcul de docking pour le criblage in silico d’une bibliothèque de molécules. En analysant à la fois les valeurs d’énergie et le nombre et le type d’interactions de chaque molécule dans le site récepteur d’une protéine, le meilleur ligand candidat peut être sélectionné et  synthétisé ultérieurement pour une évaluation biologique. En outre, la simulation moléculaire dynamique permet d’étudier le comportement variable dans le temps du système ligand-protéine.

Les simulations logicielles peuvent également fournir des indications sur les paramètres pharmaco-cinétiques et prédire les propriétés de toxicité des médicaments.

Comme première étude de cas parmi celles réalisées dans notre laboratoire, nous rapportons ici les organoarsenicaux isolés de l’éponge Echinochalina bargbanti, collectée le long de la côte de Nouvelle-Calédonie (Figure 1).

Figure 1. Structures moléculaires des métabolites isolés de l’éponge Echinochalina bargibanti. Atomes C en gris, H en blanc, O en rouge, As en violet, S en jaune.

L’arsenicine A et les arsenicines mineures B et C contenant du soufre représentent les premiers composés organiques de la nature contenant plus d’un atome d’arsenic. Le trioxyde d’arsenic a été approuvé en 2000 par la Food and Drug Administration (FDA) comme agent efficace pour traiter la leucémie aiguë promyélocytaire. Sur la base de l’arsenicine A comme molécule de référence, nous avons produit une série d’analogues par une synthèse efficace assistée par micro-ondes. Testés sur le panel du National Cancer Institute (NCI-USA) comprenant la leucémie et de nombreuses lignées de cellules cancéreuses humaines solides, les produits se sont révélés plus actifs que le trioxyde d’arsenic.

Notre activité actuelle se concentre sur l’amélioration de la structure moléculaire adaptée à une application sur les tumeurs solides, où nous avons déjà obtenu des résultats prometteurs.

Une autre partie de notre travail se concentre sur la discorhabdine G, isolée avec d’autres analogues à partir de l’éponge Latrunculia sp, Collectée près de la péninsule antarctique à 430 m de profondeur.

Dans notre étude, nous avons signalé pour la première fois que ces alcaloïdes bromés connus agissent comme inhibiteurs de l’acétylcholinestérase et de la butyrylcholinestérase, par un mécanisme compétitif réversible. La discohabdine G  s’est avérée la plus active, avec des valeurs prometteuses si on la compare aux médicaments actuellement utilisés pour traiter les patients atteints de la maladie d’Alzhaimer, qui implique une déficience en acétylcholine dans le cerveau.

De plus, par des expériences électrophysiologiques, la discoharbine G  n’a provoqué aucun résultat indésirable détectable sur la transmission neuromusculaire et la fonction des muscles squelettiques, impliqués plutôt comme effets secondaires chez les patients traités avec certains médicaments en usage. Le calcul de docking a soutenu les données expérimentales et a permis d’établir l’unité structurelle présente dans la discoharbdine G responsable de l’interaction du produit naturel dans le site actif de l’enzyme (Figure 2).

Figure 2.  Structure moléculaire de l’alcaloïde discorhabdine G isolé de l’Antarctique éponge Latrunculia sp. et la vue de son interaction dans le site actif de l’enzyme humain  acétylcholinestérase, comme déduit par le calcul de docking.

Une large série de structures simplifiées ont été passées au crible in silico, sélectionnant les plus intéressantes à synthétiser et à utiliser dans des tests ultérieurs d’inhibition de la cholinestérase.

Les résultats obtenus dans notre approche chimique et les investigations biologiques toujours en cours peuvent être utilisés pour certaines conclusions sur la pertinence générale des produits naturels en chimie médicinale.

Ecrit par : Ines Mancini

                       Andrea Defant

                       Nicole Innocenti

                       Jacopo Vigna

  Mars 2021

  Traduit par : Mme Ali-Khodja Kaouthar- CRSP

   Liens vers la version originale (ENG) :

https://www.academia.edu/47758761/The_Promising_Role_of_Natural_Products_in_Drug_Discovery