Le cancer est une maladie complexe qui tue des milliers de personnes chaque année. De nouveaux traitements sont donc en demande constante. Dans ce contexte, notre laboratoire développe de nouveaux agents anticancéreux nommés N-phényl-N'-(2-chloroéthyl)urées ou arylchloroéthylurées (CEU). Les travaux que j'ai réalisés au doctorat avaient pour objectif initial d'étudier les mécanismes d'action des CEU classiques afin de préciser les éléments structuraux clés, conduisant à l'acylation de l'acide glutamique en position 198 de la β-tubulin (Glul98). C'est dans ce cadre que mes travaux au doctorat ont débuté par des études en modélisation moléculaire et en spectrométrie de masse (MS) conduisant à l'élaboration de nouveaux modèles moléculaires d'interactions survenant entre les CEU et la tubuline permettant ainsi d'affiner nos connaissances du mécanisme d'action des CEU. La conception de ces nouveaux dérivés CEU édifiés sur la base de nos modèles moléculaires a permis de mieux connaître et de définir de nouveaux aspects structuraux des CEU tels que: (1) confirmer la présence essentielle du groupement haptophore 2-chloroéthylurée dans le but d'une acylation de Glul98 et à la sélectivité des CEU vis-à-vis la P-tubuline, (2) définir le groupement N-phényl-N'-(2-chloroéthyl)urée comme un pharmacophore mimant approximativement le groupement triméthoxylé de la colchicine et de la combrétastatine A-4 (CA-4), (3) confirmer que le groupement éthenyle du système stilbènique peut aussi être remplacé par un groupement sulfonate en conservant l'activité antiproliferative mais en perdant la sélectivité vis-à-vis la β-tubuline et (4) concevoir et évaluer biologiquement des dérivés nommés diphénylsulfonate 2-imidazolidones (DPS-IMZ). Ces derniers ont un pouvoir antiprolifératif de 100 à 1000 fois plus élevé que les CEU dites « classiques ». Les DPS-IMZ sont des agents antimicrotubules non acylants. Elles ont une activité pharmacologique comparable à celle de la combrétastatine A-4 et présentent plusieurs avantages par rapport à cette dernière étudiée en clinique. Elles sont simples à synthétiser, peu onéreuses à préparer et elles sont surtout chimiquement plus stables car elles sont dépourvues de groupement stilbènique. Plusieurs dérivés DPS-IMZ ont une activité antinéoplasique élevée dans le modèle tumoral de la membrane chorio-allantoïdienne (CAM) chez l'embryon de poulet et ils montrent peu ou pas de toxicité. Les DPS-IMZ sont donc une nouvelle classe d'agents anticancéreux prometteurs.

Les arylchloroéthyle urées touchent plusieurs protéines clés de la cancérogenèse. Les récentes recherches démontrent qu'une nouvelle cible thérapeutique pourrait émerger d'une nouvelle classe de ACEUs qui bloque la division cellulaire en phase S. Par conséquent, 46 nouveaux composés ont été synthétisés afin d'évaluer leurs propriétés biologiques, soit leur activité antiproliferative sur des cellules humaines et leur effet sur le cycle cellulaire. La détermination d'une partie du mécanisme d'action a révélé l'effet des ACEUs sur la phosphorylation de l'histone H2AX. De plus, l'évaluation du potentiel thérapeutique in vivo sur des cellules humaines cancéreuses (HT-1080) déposées sur la membrane chorioallantoïque (CAM) d'embryons de poulet a démontré de bonnes propriétés antitumorales, en plus de faibles toxicités. Parallèlement, la conversion de la portion imidazolidone (initialement obtenue par la cyclisation de la portion V-phényle-V-(2-chloroéthyle) urée des ACEUs) en portion imidazolidinethione a conduit à la synthèse de six nouveaux bioisostères. L'évaluation des propriétés biologiques a révélé une perte d'activité antiproliferative. Toutefois, l'activité antitumorale et la toxicité des bioisostères sont similaires indiquant que la modification des propriétés physicochimiques permettrait d'obtenir de meilleures propriétés biopharmaceutiques et pharmacocinétiques.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les aryles chloroéthyleurées (CEU) sont des molécules antiprolifératives alkylant certaines protéines intracellulaires telles que la β-tubuline, la prohibitine, la galectine-1, la galectine-3 et le canal VDAC. Une de ces CEU, nommée 4-cyclohexyle-chloroéthyleurée (cHCEU), alkyle la thiorédoxine-1 (Trx-1) et empêche cette dernière de migrer au noyau de la cellule. La Trx-1 joue un rôle crucial dans le contrôle de l'homéostasie rédox, la transcription des gènes, la prolifération des cellules et l' apoptose. Des dérivés de la cHCEU ont été préparés afin d'établir les relations structure-activité régissant l'alkylation de la Trx-1 et d'évaluer l'impact de cette alkylation sur la signalisation cellulaire. Les premiers analogues de la cHCEU inhibent la croissance des cellules cancéreuses à des concentrations inhibant 50 % de la prolifération variant de 1,9 à 49 æM. Quelques dérivés bloquent le cycle cellulaire en G0/G1 et empêchent également la translocation de la Trx-1 vers le noyau. Les mécanismes de mort cellulaire induite par ces molécules incluent possiblement l'inhibition de la translocation de la Trx-1 vers le noyau et l'inactivation du facteur de transcription AP-1, mais n'impliquent pas l'activation de la kinase de signalisation apoptogène 1 (ASK-1).

Les chloroéthylurées (CEUs) sont de nouveaux agents antinéoplasiques dont l'effet sur les bicouches lipidiques dépend fortement de la nature de leur substituant R et est corrélé avec leur action pharmacologique. De plus, il a été démontré que certaines CEUs ont un effet sur la protéine VDAC (voltage-dependent anion channel). Nous avons étudié l'interaction entre sept CEUs et trois membranes modèles reproduisant les membranes mitochondriales externes et internes et la membrane du réticulum endoplasmique. Les résultats obtenus indiquent que les CEUs ont un effet important sur les membranes modèles. De plus, le positionnement des CEUs à l'intérieur de bicelles isotropes a été étudié par RMN du ' H en solution. Finalement, la protéine VDAC a été extraite et purifiée avec succès à partir de mitochondries et son insertion a été tentée dans le système modèle reproduisant la membrane mitochondriale externe. Les résultats démontrent que l'insertion dans la membrane modèle est inefficace.

Cette thèse porte sur la caractérisation de différents systèmes membranaires et se divise en deux grandes parties. Une première partie traite des interactions entre des membranes modèles de phospholipides et des agents chimiothérapeutiques, les chloroéthylurées (CEU) et une deuxième partie présente un système membranaire, appelés nanoÉrythrosomes, utilisé potentiellement comme transporteur de molécules d'intérêt thérapeutique. Ces deux systèmes ont été caractérisés par un duo de méthodes spectrales soit la spectroscopie infrarouge et la résonance magnétique nucléaire. Plusieurs dérivés de CEU, différents de par leur structure et leur activité cytotoxique, ont été étudiés. Leurs interactions avec des membranes de phospholipides ont d'abord été étudiées par spectroscopie RMN des solides du deutérium afin de montrer l'effet de l'incorporation des CEU sur l'ordre conformationnel du phospholipide deutéré utilisé. Des mesures de l'écart quadrupolaire des deutérons de la chaîne acyle ont permis d'appuyer un modèle proposé pour l'incorporation des CEU dans des membranes modèles de phospholipides. Des systèmes similaires ont ensuite été étudiés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) afin de vérifier l'effet de ces molécules sur les chaînes acyle de phospholipides saturés et insaturés et ce, en présence et en absence de cholestérol. L'effet observé est fortement corrélé à la structure de la CEU et à son activité anticancéreuse. L'ensemble de ces travaux a également permis de montrer que l'effet des CEU les plus cytotoxiques est toujours présent à plus faible concentration. Dans la seconde partie de la thèse, le nanoÉrythrosome, système biologique composé de lipides et de protéines provenant de membranes de globules rouges, a été étudié comme système pur et recouvert de polyéthylène glycol de poids moléculaire de 2000 et 5000 g-mol"1 . Par le greffage de polyéthylène glycol à sa surface, le nanoÉrythrosome devient alors un système intéressant pour la libération de médicaments. La spectroscopie infrarouge a permis de caractériser ce système tant au niveau de sa portion lipidique que protéique en fonction de la température. La spectroscopie RMN des solides du phosphore-31 et la microscopie électronique ont permis quant à elles de démontrer que la présence de polyéthylène glycol diminue l'agrégation des nanoÉrythrosome entre eux.