Le développement de médicaments de nature peptidique est principalement limité par une faible biodisponibilité orale. La macrocyclisation a été identifiée comme une solution possible à certains problèmes de métabolisme, mais une basse perméabilité constitue souvent le facteur limitant. Pourtant, certains macrocycles, dont la cyclosporine, parviennent à traverser les membranes. À l’heure actuelle, alors que la perméabilité de grands macrocycles peptidiques fait l’objet de nombreuses études, celle des macrocycles semi-peptidiques demeure peu explorée. Afin de mieux comprendre la relation structure perméabilité des macrocycles peptidiques et semi peptidiques, une librairie de 36 composés a été synthétisée en incorporant de façon systématique deux modifications structurales ciblant l’aspect conformationnel : 1) le remplacement de résidus peptidiques par des résidus peptoïdiques et 2) l’utilisation de différents chaînons chiraux. Ces composés ont été testés dans des essais de perméabilité et les résultats obtenus couvrent une grande plage de valeurs. Une de ces modifications a apporté une hausse importante de la perméabilité dans la majorité des cas.

L’acquisition rapide de résistance aux antibiotiques par Staphylococcus aureus force le milieu hospitalier dans ses derniers retranchements au niveau des traitements antibactériens. Afin de pallier à ce problème, il est important de continuer à innover dans le développement de composés antibiotiques possédant des mécanismes d’action novateurs. Le groupe de François Malouin a récemment démontré que la tomatidine possède une activité antibactérienne et antivirulence contre différentes souches de Staphylococcus aureus, ainsi qu’un potentiel synergique avec les antibiotiques de la famille des aminoglycosides. La cible biologique et le mécanisme d’action de la tomatidine étant à ce jour inconnus, nous avons synthétisé une librairie de 34 analogues dans le but de comprendre la relation structure-activité de ce composé contre les souches persistantes de Staphylococcus aureus, ainsi que dans le but d’améliorer son activité biologique et mieux comprendre son mécanisme d’action. En nous basant sur l’hypothèse que le squelette stéroïdien standard servait principalement de support pour orienter les groupements pharmacophores, nous avons concentré les modifications chimiques sur les pharmacophores eux-mêmes, soit à la fonction hydroxyle en position 3 du cycle A, mais aussi à la fonction spiroaminocétale constituant les cycles E et F de la tomatidine. Les modifications de l’hydroxyle ont été effectuées à partir de la tomatidine elle-même. Nous avons testé l’effet de l’inversion de configuration, de l’allylation, de l’oxydation et de la substitution par différentes amines en cette position. Les modifications sur la fonction spiroaminocétale ont été synthétisées à partir de la tomatidine elle-même, mais également à partir de l’acétate de prégnénolone, un précurseur largement utilisé en chimie stéroïdienne. Dans le premier cas, les modifications ont consisté à synthétiser des analogues de la fonction spiroaminocétale bloquée en conformation fermée, ouverte ou partiellement ouverte. Dans le second cas, les modifications ont porté sur la synthèse d’analogue de la forme ouverte de la fonction spiroaminocétale. Tous les produits synthétisés ont été envoyés au laboratoire du Pr François Malouin afin d’être testés pour leur activité biologique. Les composés ont été testés afin de quantifier leur activité biologique contre S. aureus, seul ou en synergie avec la gentamicine, et également pour quantifier leur activité biologique contre les variantes de petite colonie de S. aureus, un phénotype bactérien souvent associé à des infections récurrentes et difficiles à traiter. Ces tests ont été effectués par Isabelle Guay, étudiante à la maîtrise en biologie à l’Université de Sherbrooke. Cette étude a mené à l’établissement des fondements de la relation structure-activité de la tomatidine envers S. aureus, ainsi qu’à la découverte de certains composés présentant une activité biologique améliorée. Ce travail a permis la rédaction d’un article scientifique intitulé « Unraveling the structure-activity relationship of tomatidine, a steroid alkaloid with unique antibiotic properties against persistent forms of Staphylococcus », soumis à European Journal of Medicinal Chemistry en juillet 2013, qui est présenté en ce mémoire.

Depuis une vingtaine d’années, l’utilisation massive des antibiotiques a provoqué l’apparition de souches bactériennes résistantes contre la plupart des familles d’antibiotiques disponibles sur le marché pharmaceutique. L’apparition de souches multirésistantes voire totorésistantes notamment dans le milieu hospitalier, pose de manière croissante des difficultés thérapeutiques et constitue un grave problème de santé publique. Lors de mon doctorat, deux approches ont été abordées.La première approche consiste à inhiber les enzymes DapF et MurE impliquées dans la voie de biosynthèse du peptidoglycane, composant principal de la paroi des cellules bactériennes. Nous avons donc préparé des acides aminés comportant des groupes fonctionnels triazolyle ou alcynyle, analogues stériquement contraints de l’acide 2,6-diaminopimélique (méso-DAP).La deuxième approche développée au laboratoire repose sur le développement d’adjuvants d’antibiotiques, permettant de cibler spécifiquement les protéines responsables des mécanismes de résistances (Histidines kinases, HKs). Ce travail a permis l’obtention de trente-trois molécules dérivées du thiophène, dont huit présentent une activité biologique contre trois HKs différentes (1,63 < CI50 (μM) < 243,9). De plus, sur les huit molécules biologiquement actives, deux ont présenté une inhibition de la croissance bactérienne contre des bactéries à gram-positif et/ou à gram-négatif (B. subtilis, S. aureus, B. anthracis, E. coli…) et une restaure la sensibilité de souches bactériennes (E. coli productrice de β-lactamases à spectre large (BLSE) et S. aureus résistant à la méticilline (SARM)) à l’antibiotique approprié (céfotaxime). / Over the two past decades, the massive use of antibiotics has led to the emergence of resistant bacterial strains against most families of antibiotics available on the pharmaceutical market. The emergence of multiresistant and totoresistant bacterial strains particularly in hospitals, which create increasing problem in the development of new therapeutics and constitutes serious public health threat problems. During my PhD, two approaches were discussed.The first approach of this project consist in targeting the DapF and MurE enzymes, which are implicated in the biochemical pathway for peptidoglycan biosynthesis, a key component of the bacterial cell wall. Consequently, we prepared amino acids derivatives with triazolyl and alkynyl groups, sterically hindered analogs of 2,6-diaminopimelic acid (meso-DAP).The second approach is the development of antibiotic adjuvants, to target specific proteins implicated in the development of bacterial resistance mechanisms (Histidine kinases, HKs). This work has enabled the development of thirty-three thiophene derivatives, eight of them have biological activity against three HKs (1.63 < IC50 (μM) < 243.9). In addition, among the eight molecules with biological activity, two of them present inhibition of bacterial growth (bactericide) against both gram-positive and/or gram-negative bacteria (B. subtilis, S. aureus, B. anthracis, E. coli…) and one of them restores the sensibility of bacterial strains (E. coli producing extended spectrum of β-lactamases (ESBL) and S. aureus resistant to methicillin (MRSA)) to the appropriate antibiotic (cefotaxim).

Les glycosyltransférases sont responsables de la biosynthèse d’oligosaccharides, de polysaccharides et de glycoconjugués. Etant donné le nombre croissant de processus biologiques reliés aux saccharides, il existe un grand intérêt pour la compréhension des rôles biologiques des ces saccharides et étudier leurs applications thérapeutiques potentielles. Ce projet concerne la conception, la synthèse, l’évaluationbiologique et l’analyse structurale de deux nouveaux types d’inhibiteurs de glycosyltransférases analogues du substrat donneur naturel. L’analogie repose sur l’incorporation d’une unité pyridine ou amino-acide neutre comme mime du motif pyrophosphate afin de fournir des substrats capables de pénétrer les cellules pour des applications potentielles in cellulo ou in vivo. Les synthèses d’inhibiteurs neutres de GTs ont été réalisées en utilisant une combinaison de réactions de conjugaison créant une liaison O-glycosidique, amide ou triazole. Au total, 26 inhibiteurs neutres de GTs ont ainsi été synthétisés. L’évaluation de l’inhibition pour cinq galactosyltransférases et une GlcNAc-transférase(OGT) a révélé des inhibitions modestes de l’ordre du micromolaire. La co-cristallisation des meilleurs inhibiteurs avec l’une de ces galactosyltransférases a démontré que le motif pyridine neutre chélate le cation manganèse impliqué dans le site catalytique de l’enzyme. Cependant, le motif galactose est orienté vers l’extérieur du site catalytique et loin de la position initiale du substart naturel (UDP-Gal) etindique donc un nouveau mode de liaison. Le concept d’inhibiteur neutre a aussi été examiné sur un système modèle de membrane pour leur perméation membranaire. / Glycosyltransferase is an important class of enzyme in living organisms responsible for the biosynthesis of oligosaccharides, polysaccharides and glycoconjugates. As more and more carbohydrate related biological processes are elucidated, there is great interest to define the biological roles of a given carbohydrate and examine its potential therapeutic applications. The present study reports the design, synthesis, biological evaluation and structural analysis of two novel types of glycosyltransferase donor substrate analogues. The design rationale is to make analogues of sugar nucleotide diphosphate substrates, but incorporating a ‘neutral’ pyridine or amino-acid moiety as thepyrophosphate surrogate in order to provide cell permeable substrates for potential in cellulo or in vivo applications. The syntheses of “neutral” GTs inhibitors were performed using a combination of conjugations through O-glycoside bond, amide bond or triazole functionalities. A total number of 26 “neutral” GT inhibitors were prepared. The evaluation of inhibition towards five galactosyltransferasesand one GlcNAc-transferase (OGT) revealed moderate inhibitions in the micromolar range. More interestingly, co-crystallyzation could be achieved for the most potent compounds in complex with a glycosyltransferase. The designed ‘neutral’ pyridine linker could chelate the manganese cation involved in the enzyme catalytic site. Whereas the sugar head-group was oriented away from the position found inthe related complex with natural substrate (UDP-Gal) indicating a new binding mode. The concept of ‘neutral’ inhibitor was examined by an artificial cell membrane penetration test.

Les fluoroalcènes, du fait de leurs propriétés physico-chimiques singulières, sont des composés intéressants présents dans de nombreux domaines comme les matériaux polymères, l'agrochimie ou encore la chimie médicinale. Les mono-fluoroalcènes présentent des similarités électroniques et géométriques avec la liaison amide et sont donc de très bons mimes de la liaison peptidique. Néanmoins, la synthèse et la fonctionnalisation de ces composés représente toujours à l'heure actuelle un enjeu synthétique important. Au cours de cette thèse deux briques moléculaires ont été préparées pour développer de nouvelles méthodes d'accès aux fluoroalcènes : les gem-bromofluoroalcènes et les α-fluoroacrylates. Les gem-bromofluoroalcènes ont été employés dans deux méthodologies. La première consiste en une mono-catalyse au cuivre pour réaliser la fluoroalcénylation d'hétéroraryles par fonctionnalisation catalytique de la liaison C-H de dérivés de type azoles. La seconde consiste en la phosphination des gem-bromofluoroalcènes par des phosphines boranes, dans le but d'obtenir de nouvelles phosphines originales. Les α-fluoroacrylates et les acides α-fluoroacryliques ont été utilisés dans deux réactions complémentaires. Une réaction de Heck a été employée pour synthétiser des α-fluoroacrylates tri- et tétrasubstitués, offrant une nouvelle voie d'accès à ces composés. Quant aux acides α-fluoroacryliques, ils ont été utilisés dans une méthode innovante de couplage décarboxylant/déshydrogénant avec des azoles. En effet, il s'agit du premier exemple de couplage décarboxylant/déshydrogénant sur des alcènes. / The fluoroalkenes are compounds with relevant physico-chemical properties and are used in various fields as polymers, agrochemistry or medicinal chemistry. Mono-fluoroalkenes can be used as an effective peptidic bond mimic because of their electronic and geometric similarity with the amide bond. Nevertheless, this interesting moiety still suffers from difficulty of synthesis which constitute a synthetic challenge. For that purpose, two build-blocks (gem-bromofluoroalkenes and α-fluoroacrylates) were used during this thesis to develop new access to mono-fluoroalkenes.The first one is the gem-bromofluoroalkenes moiety were used for the development of two methodologies. First, a copper-catalysed fluoroalkenylation via C-H bond functionalisation of heteroaryles has been reported. Then, the second methodology is the phosphination of gem-bromofluoroalkenes using phosphines boranes, in the goal to get new kind of phosphines.The second building-blocks used are the α-fluoroacrylates and α-fluoroacrylic acids which have been involved in two complementary reactions. A Heck reaction allowed the synthesis of tri- and tetrasubstitued α-fluoroacrylates, giving a new access to these compounds. α-Fluoroacrylic acids were used in a decarboxylative/deshydrogenative cross-coupling with azoles. Indeed, it is the first example of decarboxylative/deshydrogenative cross-coupling with alkenes.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs), constituent la plus grande famille de protéines membranaires dans le génome humain. Les RCPGs sont des protéines de signalisation, qui exercent leur action à la surface des cellules, en réponse à une grande variété de stimuli extérieurs. Ils jouent un rôle primordial dans de nombreuses fonctions physiologiques et sont donc impliqués dans une multitude de pathologies comme les maladies cardiovasculaires, métaboliques, neurodégénératives, psychiatriques et oncologiques. L'attribution du prix Nobel de chimie 2012 aux professeurs Robert Lefkowitz et Brian Kobilka pour leurs travaux et avancées spectaculaires dans le champ de recherches des RCPGs, souligne encore leur importance. Les RCPGs constituent également la plus importante cible thérapeutique, avec 30% des médicaments actuellement disponibles sur le marché qui exercent leur action via un RCPG. Cependant, la découverte de nouveaux ligands reste un chalenge. Le but est de développer des approches basées sur la RMN à l’état liquide, qui auront un impact positif sur la recherche de ligand de RCPGs, grâce à l’étude et la caractérisation de récepteur pleine taille, solubilisés en micelles de détergents ou enchâssés en bicouches lipidiques natives / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest class of membrane proteins in the human genome. GPCRs act as cell surface signalling proteins and respond to a variety of external signals. They play a pivotal role in many physiological functions and are therefore associated with a multitude of diseases, including cardiovascular, metabolic, neurodegenerative, psychiatric, and oncologic diseases. The 2012 noble Prize in Chemistry was awarded jointly to Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka for studies of GPCRs, highlighting the importance of this protein superfamily. GPCRs constitute also the most important family of drug targets in the human body, with 30% of current drugs acting on GPCRs. However, drug discovery targeting GPCRs remains difficult, owing to the restricted structural information on GPCRs related to the instability of these proteins when isolated from their cell membrane environments. There is also a lack of knowledge for the structural and functional consequences of the interactions of small-molecule compounds with GPCR. The aim is to develop methods to study and characterize a full GPCR solubilized in detergents or in native lipid bilayers, both in its free form and in small molecule bound forms, using liquid-state NMR experiments. The aim is to develop NMR-based approaches that will strongly impact the structure-based drug discovery process for the GPCR family

Ce projet d’interface Chimie/Biologie repose sur les expertises complémentaires de deux équipes. Il concerne la conception et le développement d’inhibiteurs dirigés contre les Kinétoplastidés (trypanosomes, leishmanies). Il est en effet urgent de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour répondre à la chimiorésistance et à la toxicité des médicaments actuellement utilisés contre ces parasites. Le métabolisme et le transport des polyamines étant essentiel chez les parasites, ils constituent des cibles thérapeutiques d’intérêt contre les Kinétoplastidés. Le projet intègre la synthèse de nouveaux dérivés polyamines spécifiques des parasites, l’évaluation sur des modèles in vitro de leishmaniose et de trypanosomose africaine, ainsi qu’une évaluation sur trypanothione réductase. La mise au point d’une méthode de quantification du transport de polyamine a également été initiée. Cinquante-quatre composés, répartis en trois séries chimiques, ont été synthétisés et évalués. Un grand nombre d’entre eux présentent des activités antiparasitaires de l’ordre du micromolaire et des évaluations in vivo sont actuellement en cours avec le composé le plus prometteur. / This project is at the interface of chemistry and biology and relies on the expertise of two different teams. This thesis involves the design and development of inhibitors directed against Kinetoplastids. It is urgent to develop new therapeutic strategies to respond to drug resistance and toxicity of currently used drugs against these parasites. Polyamine metabolism and transporter have been demonstrated as essential for parasite growth. Therefore, these systems are potential drug targets for development of antikinetoplastid compounds. We chose to synthesize polyamine derivatives and evaluate their biological activity against Kinetoplatids. Fifty-four compounds, divided into three chemical series, have been synthesized and evaluated. Many have shown a micromolar biological activity in vitro against parasite. In vivo evaluation is foreseen for the most promising derivative.

En vue de contourner les phénomènes de chimiorésistance et l’apparition d’effets secondaires sévères engendrés par les traitements à base de platine, nous avons développé des agents thérapeutiques à base d’autre métaux.Mon premier projet repose sur l’élaboration de complexes d’or(I) traçables possédant des propriétés anticancéreuses et anti-inflammatoires. Afin d’apporter des informations préliminaires sur leur mécanisme d’action, deux sondes imageantes ont été introduites : soit une coumarine, soit un BODIPY. Ainsi, deux séries de complexes d’or(I) ont été synthétisées. Trois d’entre eux présentent cette double activité thérapeutique dont deux pouvant être traçables in vitro.Mon deuxième projet est axé sur le développement de complexes de titane stables et solubles en milieu auqueux. Afin d’améliorer la cytotoxicité de ces titanocènes, notre stratégie a consisté à introduire un second métal thérapeutique au sein de ces structures. Cette étude a mené à deux nouveaux titanocènes possédant une activité anti-proliférative submicromolaire sur différentes lignées de cellules cancéreuses ainsi qu’une activité antitumorale in vivo, sans induire de signe de toxicité chez la souris saine. Afin d’étudier leur mécanisme d’action, l’introduction de deux modalités d’imageries a été envisagée sur ces complexes : l’imagerie optique ou l’imagerie TEP. Un complexe présentant une sonde fluorescente a été synthétisé et une voie de radiomarquage a été développée. / We have developed non-platinum therapeutic agents in order to avoid chemoresistance phenomena and severe side effects caused by treatments based on this metal.My first project relies on the development of trackable gold(I)-complexes displaying both anticancer and anti-inflammatory properties. An imaging probe was introduced on these complexes – either a coumarin or a BODIPY – in order to give preliminary information on their mechanism of action. Thus, two series of gold(I) complexes were synthesized. Three of these compounds presents this double therapeutic activity, two of them can be trackable in vitro.My second project is focused on the development of stable and soluble titanium complexes in water. We decided to introduce a second therapeutic metal into these structures in order to improve the cytotoxicity of these titanocenes. This study led to two new titanocenes displaying submicromolar anti-proliferative activity on different cancer cell lines along with an antitumoral activity in vivo, without inducing any sign of toxicity on healthy mice. We decided to introduce two imaging modalities – optical or PET imaging – into these complexes for investigating their mechanism of action. A complex bearing a fluorescent probe was synthesized and a radiolabeling method was developed.

Les aurones, qui constituent une sous-classe des flavonoïdes, présentent un profil pharmacologique et un spectre d'activités biologiques prometteurs. Au cours de ce travail, nous avons mis à profit ce potentiel pour la modulation de deux cibles thérapeutiques majeures. En premier lieu, depuis la mise sur le marché d'inhibiteurs de la protéase NS3/4A, l'inhibition de la polymérase NS5B du virus de l'hépatite C représente un enjeu primordial dans la lutte contre cette maladie. L'utilisation des aurones contre cette polymérase trouve ici ses premiers développements. L'évaluation de quatre générations de composés a mené à l'identification de plusieurs dérivés actifs, dont certains produits naturels, présentant un IC50 inférieur à 5 μM. L'étude des interactions ligand – récepteur a en outre permis de déterminer que les aurones se fixent probablement sur le site « Thumb I ». En second lieu, si la modulation de la tyrosinase dans un cadre thérapeutique reste actuellement hypothétique, de nombreuses études voient en cette enzyme une cible pour le traitement futur de pathologies difficilement curables, comme le cancer ou la maladie de Parkinson. Les aurones ont fait preuve lors de ce travail d'une grande versatilité face à la tyrosinase, adoptant au gré des substitutions des comportements très différents de substrat alternatif, d'activateur hyperbolique ou d'inhibiteur mixte. Un modèle cohérent a cependant été proposé, qui regroupe et explique ces comportements. Au cours de ce travail, de nombreux dérivés d'aurone diversement substitués ou modifiés ont été préparés, par le biais de méthodes de synthèse adaptées à la structure de chaque produit formé. / Aurones, a subclass of flavonoids, present a favorable pharmacological profile and a wide, promising spectrum of biological activites. During this work, we used this potential for the modulation of two major therapeutic targets. Firstly, since several hepatitis C virus protease NS3/4A inhibitors were recently marketed, the inhibition of the polymerase NS5B is now the focus of research efforts in the fight against HCV. The use of aurones against the HCV polymerase is here reported for the first time. Four generations of compounds were synthesized and evaluated, and several bioactive derivatives were found, including some natural products, with an IC50 below 5 μM. Furthermore, additional investigations regarding inhibitor – receptor interactions allowed to identify the aurones binding site, which is Thumb Site I. Secondly, although the modulation of tyrosinase in a therapeutic aim remains a matter of discussion, a number of studies considers this enzyme as a potential target for future treatments against some hardly curable diseases, such as cancer or Parkinson's disease. During this work, aurones showed a great versatility toward tyrosinase. According to their substitution pattern, the compounds embraced very different behaviours, i.e. alternative substrate, hyperbolic activator or mixed inhibitor behaviour. However a consistent model was proposed, which gathers and explains all of these behaviours. During this study, a large number of widely substituted or modified aurone derivatives were prepared, according to structure-dependant adaptative synthetic methods.

Les analogues synthétiques des nucléosides naturels constituant des acides nucléiques occupent une place importante dans le domaine du médicament comme principes actifs antiviraux ou anticancéreux. Ces nucléosides agissent comme « prodrogues » en perturbant la biosynthèse des acides nucléiques viraux ou des cellules cancéreuses après phosphorylation. Dans la recherche de nouveaux médicaments antiviraux, nous avons cherché à synthétiser de nouveaux analogues des nucléosides naturels, les 2-désoxy-adénosine et -guanosine, et de l’aciclovir et de ses dérivés (vanciclovir, ganciclovir…) qui sont très utilisés dans le traitement de l’Herpès. Des premiers travaux en série adénine et guanine, n’ont pas permis d’obtenir les dérivés cycliques recherchés dans lesquels la base et la chaîne latérale introduite en position 9 de la base sont liés par un atome d’oxygène se trouvant en position 8 pour former un nouveau cycle. Quatre analogues cycliques en série guanine ont été synthétisés dans lesquels la base et la chaîne latérale en position 8 sont liés soit par un hétéroatome (préparés par réaction de substitution nucléophile), soit par une liaison carbone-carbone (préparés par réaction radicalaire) et sont en cours d’évaluation antivirale. / The synthetic analogues of the natural 2’-deoxyribonucleosides, linked by phosphodiester groups in nucleic acids, constitute major classes of antiviral and anticancer drugs. Such nucleosides act as “prodrugs” disturbing the biosynthesis of nucleic acids after phosphorylation. Searching for new antiviral drugs, the aim of this work was the synthesis of new modified nucleosides analogues of 2’-deoxyadenosine and -guanosine also analogues of aciclovir and its derivatives (vanciclovir, ganciclovir…) widely used for Herpes treatment. In the first works in adenine and guanine series, the cyclic analogues in which the base and a side chain introduced at position 9 of the base are linked at position 8 by an oxygen atom could not be obtained. Four cyclic analogues in the guanine series were prepared in which the base and the 9-side chain are linked at position 8 are either linked by a heteroatom (synthesized by nucleophilic substitution) or by a carbon-carbon bond (synthesized by free radical reaction). The evaluation of the antiviral activity of these compounds is underway.