La formation d'un caillot de fibrine, processus clé de la coagulation sanguine, implique la polymérisation des monomères de fibrinogène en un réseau de fibres de fibrine. Bien que ce réseau contrôle l'ensemble des propriétés mécaniques du caillot et constitue le squelette sur lequel se base la reconstruction des tissus, sa structure aux échelles inférieures au micron est très mal caractérisée. Nous avons démontré que l'analyse du spectre de lumière visible transmis à travers un caillot permet de déterminer simultanément, quantitativement et en conditions quasi-physiologiques, plusieurs paramètres essentiels de cette nanostructure, à savoir le rayon et la concentration interne en protéines des fibres. Cette méthode de spectrophotométrie a montré le caractère extraordinairement poreux de ces fibres et comment l'environnement de la réaction (concentrations en fibrinogène, en thrombine, température, force ionique) influe sur leur dimension et leur porosité. Cette méthode a ensuite permis de caractériser les effets respectifs sur cette structure de différentes molécules anti-coagulantes, montrant l'action spécifique de l'enoxaparine par rapport aux héparines non-fractionnées et au pentasaccharide. Enfin, nous avons construit un prototype à vocation hospitalière (spectrophotomètre) afin d'étudier la cinétique de polymérisation de la fibrine, non seulement en système purifié en combinaison avec nos spectres de diffusion de rayons X, mais également sur des plasmas de patients présentant des troubles de l'hémostase. Des discussions sont en cours avec un laboratoire pharmaceutique afin d'intégrer cette méthode sur des appareils de diagnostic.

La formation d'un caillot de fibrine, processus clé de la coagulation sanguine, implique la polymérisation des monomères de fibrinogène en un réseau de fibres de fibrine. Bien que ce réseau contrôle l'ensemble des propriétés mécaniques du caillot et constitue le squelette sur lequel se base la reconstruction des tissus, sa structure aux échelles inférieures au micron est très mal caractérisée. Nous avons démontré que l'analyse du spectre de lumière visible transmis à travers un caillot permet de déterminer simultanément, quantitativement et en conditions quasi-physiologiques, plusieurs paramètres essentiels de cette nanostructure, à savoir le rayon et la concentration interne en protéines des fibres. Cette méthode de spectrophotométrie a montré le caractère extraordinairement poreux de ces fibres et comment l'environnement de la réaction (concentrations en fibrinogène, en thrombine, température, force ionique) influe sur leur dimension et leur porosité. Cette méthode a ensuite permis de caractériser les effets respectifs sur cette structure de différentes molécules anti-coagulantes, montrant l'action spécifique de l'enoxaparine par rapport aux héparines non-fractionnées et au pentasaccharide. Enfin, nous avons construit un prototype à vocation hospitalière (spectrophotomètre) afin d'étudier la cinétique de polymérisation de la fibrine, non seulement en système purifié en combinaison avec nos spectres de diffusion de rayons X, mais également sur des plasmas de patients présentant des troubles de l'hémostase. Des discussions sont en cours avec un laboratoire pharmaceutique afin d'intégrer cette méthode sur des appareils de diagnostic. / The formation of a fibrin clot is one of the major processes leading to blood coagulation. It involves the polymerization of fibrinogen monomers into a network of fibrin fibers. This network controls the overall mechanical properties of the clot and serves as a scaffold to promote wound healing. However its structure at scales less than one micron is very poorly characterized. We demonstrated that an analysis of the visible light spectra transmitted through fibrin clots enables the simultaneous determination, in quantitative terms and in conditions near physiological, of several key parameters of this nanostructure, i.e. the radius and the protein content of the fibers. This spectrophotometry technique has shown the extraordinary porous nature of these fibers and how the reaction parameters (fibrinogen and thrombin concentrations, temperature, ionic strength) control their size and their porosity. This method was then used to characterize the respective effects on the structure of different anticoagulant molecules, showing the specific action of enoxaparin compared with unfractionated heparin and pentasaccharide. We built a prototype (spectrophotometer), used at hospital, to study the kinetics of fibrin polymerization, not only in purified system in combination with our X-ray spectra, but also in plasmas of patients with bleeding disorders. Discussions are underway with a pharmaceutical company to integrate this method on diagnostic equipment.

Notre équipe s’intéresse à la relation structure-fonction d’une protéine, l’antithrombine (AT), un inhibiteur physiologique de la coagulation, en vue d’un développement thérapeutique. Cette protéine anticoagulante, capable de lier un motif pentasaccharidique sur les dérivés hépariniques, possède en outre, à fortes concentrations (500%), des propriétés anti-inflammatoires médiées par sa liaison aux héparan-sulfates cellulaires. Ce profil a mené à l’évaluation de l’AT dans des situations associant un emballement de la coagulation et de l’inflammation, comme c’est le cas au cours du sepsis sévère et d’autres situations d’ischémie-reperfusion (I/R). Cependant, les fortes concentrations utilisées dans les études précliniques nécessiteraient d’administrer des doses d’AT incompatibles avec le profil de sécurité de cette protéine anticoagulante.Dans ce contexte, nous avons, au cours de ce travail, caractérisé un variant d’AT (AT-N135Q-Pro394) dépourvu d’activité anticoagulante et doué d’une affinité augmentée pour l’héparine. Ce variant est capable de piéger des dérivés hépariniques et apparait comme un candidat idéal pour une utilisation comme antidote en cas de surdosage en héparine non fractionnée (HNF), héparines de bas poids moléculaire (HBPM) ou fondaparinux. Par ailleurs, ce variant pourrait être utilisé à des doses cytoprotectrices, sans risque hémorragique.Afin de tester cette dernière hypothèse, nous avons développé un modèle d’I/R rénale chez la souris, qui s’accompagne d’une augmentation significative de marqueurs de dysfonction rénale (Urée, Créatinine, Kim-1) et de l’inflammation (expression tissulaire de cxcl-1, il-6). L’AT avait déjà été montrée protectrice (Mizutani et al, Blood 2003) dans un modèle murin comparable. De façon surprenante, nous n’avons observé aucun des effets protecteurs décrits, ni sur l’inflammation ni sur la fonction rénale, et que ce soit avec de l’AT plasmatique, de l’AT recombinante ou encore avec un mélange équimolaire d’AT latente et native. Ce même modèle nous a pourtant permis de mettre en évidence les effets nephroprotecteurs et anti-inflammatoires d’une autre protéine anticoagulante, la protéine C activée. Ces résultats décevants font écho à la rétractation pour fraude de l’article de Mizutani et al. en 2013. Le travail approfondi que nous avons mené nous permet de clarifier la littérature et d’affirmer que l’AT, d’origine plasmatique ou recombinante, ne possèdent pas d’effet protecteur dans l’I/R rénale chez la souris. Dans ces conditions, le variant AT-N135Q-Pro394 n’a pas été testé.Concernant la seconde indication, l’AT-N135Q-Pro394 avait déjà été évaluée in vivo comme antidote aux dérivés hépariniques, HNF, HBPM et fondaparinux, avec d’excellents résultats. Néanmoins, cet effet antidote a été exploré spécifiquement par mesure de l’activité anti-facteur Xa alors que l’AT inhibe plusieurs enzymes de la cascade de coagulation tel que les facteurs VIIa, IXa et IIa. Nous avons donc exploré cet effet antidote dans un test plus global de la coagulation, le test de génération de thrombine (TGT) pour pouvoir le comparer aux autres stratégies non spécifiques utilisées pour antagoniser les dérivés hépariniques (facteur VII activé recombinant, concentré de complexes prothrombiques activés ou protamine). De façon intéressante, dans un plasma mimant un surdosage, notre variant présente un effet antidote supérieur aux agents hémostatiques et au sulfate de protamine vis-à-vis du fondaparinux et des HBPMs, respectivement, et équivalent au sulfate de protamine vis-à-vis de l’HNF. Enfin, dans du plasma en l’absence d’anticoagulant, l’AT-N135Q-Pro394 ne montre aucun effet sur la génération de thrombine contrairement aux agents hémostatiques et au sulfate de protamine qui, ajoutés seuls dans du plasma, modifient significativement le profil des TGT / Our team topic focuses on the structural-function relationship of a natural anticoagulant, antithrombin (AT), in order to develop potential therapeutic agents. AT inhibits several serine proteases of the coagulation cascade and its inhibitory activity is increased when AT binds to a pentasaccharidic motif contained within in the heparin derivatives. At high concentrations (500%), AT also exerts anti-inflammatory and cytoprotective properties through its binding to heparan sulfate proteoglycans, making it a good candidate for supportive therapy in clinical settings associating inflammation and coagulation activation. Indeed, AT has already been evaluated in vivo in various models of ischemia-reperfusion injury (IRI) and AT even reached a large-scale clinical trial in severe sepsis. However, the high concentrations of AT that are needed to exert anti-inflammatory properties are inconsistent with the safety profile of this anticoagulant protein.In this context we have further characterized an AT variant (AT-N135Q-Pro394) with increased affinity to heparin but devoid of anticoagulant activity. Indeed, this variant was described to be able to trap heparin derivatives and our work was to pursue the characterization of this variant as an antidote toward heparin derivatives in clinical situations of overdosing. In addition, this AT variant binds to heparan sulfate proteoglycans with higher affinity, as compared to native AT, and appears as a promising cytoprotective agent whose administration would not be associated with any bleeding risk.To test the latter hypothesis, we developed a murine model of renal IRI in which the renal function was severely impaired, as attested by increased kidney injury markers (urea, creatinine, kim-1) and local kidney inflammation (renal gene expression of il-6 and cxcl-1). Indeed, in 2003, Mizutani et al. reported a protective effect of AT in a similar murine model of renal IRI. Surprisingly, we observed none of the described protective effects, neither on inflammation nor renal function, with plasma AT, recombinant AT and an equimolar mixture of native and latent AT. Nevertheless, the same model enabled us to highlight the nephroprotective and anti-inflammatory properties of another anticoagulant protein, activated protein C (APC), as previously reported. These disappointing results coincided with the withdrawal in 2013 of the study of Mizutani et al., and our work allowed us to clarify the literature and to claim that neither recombinant nor plasma-derived native nor latent forms of AT exhibit a protective effect in renal IRI in mice. Under these conditions, AT-N135Q-Pro394 variant has not been tested in our model.AT-N135Q-Pro394 has also been previously shown to efficiently neutralise the anticoagulant activity of heparin derivatives, including unfractionated heparin (UFH), low molecular weight heparins (LMWH) and fondaparinux in vivo. Nevertheless, this reversal effect was only explored by anti-factor Xa assays whereas AT inhibits a number of coagulation proteases, including factors VIIa, IXa and IIa. Therefore, we explored AT-N135Q-Pro394 variant in a more global coagulation assay, the thrombin-generation assay (TGA), in order to compare its activity with non-specific reversal agents used toward heparin derivative overdose (recombinant-activated factor VII, activated prothrombin-complex concentrate or protamine). Interestingly, in plasma mimicking an overdose, our variant demonstrated greater reversal efficiency as compared to hemostatic agents and protamine sulfate toward fondaparinux and LMWH, respectively, and was as efficient as protamine sulfate toward UFH. Finally, when added to native plasma (in the absence of heparin derivative), AT-N135Q-Pro394 showed no effect on thrombin generation unlike hemostatics and protamine sulfate that all significantly affect the TGA profile

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Les interactions non-covalentes en solution jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus chimiques, biologiques, pharmacologiques. Il est donc d'intérêt de pouvoir quantifier ces interactions. Parmi les méthodes de quantification disponibles, l'électrophorèse capillaire semble particulièrement bien adaptée (miniaturisation, absence de phase stationnaire). Au cours de ces travaux, plusieurs systèmes modèles ont été caractérisés au moyen de trois méthodes électrophorétiques (injection directe, électrophorèse d'affinité et analyse frontale): la distribution d'un soluté dans une phase liposomale, l'interaction entre un polysaccharide (héparine) et une protéine (antithrombine III), les seuils d'agrégation de tensioactifs, l'inclusion de petites molécules dans la beta-cyclodextrine. Pour chacun de ces modèles, une attention particulière a été portée aux spécificités des méthodes électrophorétiques utilisées et à l'intérêt de certaines modélisations.

La reconnaissance de biomolécules dans des milieux biologiques complexes est un réel défi pour les chimistes et les biologistes, associé à des enjeux médicaux majeurs. Face à cette problématique, le chimiste peut choisir d’utiliser des molécules désignées par ses soins, ou encore de sélectionner et d’utiliser directement des structures commerciales ou naturelles. Suivant cette dernière approche, les dendrigrafts de lysines (DGL) ont montré une neutralisation des héparines de différentes tailles supérieures à l’action de la protamine, le seul médicament autorisé en cas de surdosage de l’anticoagulant. Une étude par dynamique moléculaire a permis de mettre en avant le mécanisme d’interaction entre les héparines d’une part, et les DGLs et la protamine d’autre part. Par ailleurs, suivant la première approche de design et synthèse, nous avons utilisé la chimie combinatoire dynamique pour obtenir des nouveaux récepteurs synthétiques à partir de brique moléculaires diverses de type 1,4-dithiphénols. Des études à la fois théorique, en DFT et dynamique moléculaire, et expérimentale, ont été menés pour comprendre les phénomènes régissant l’auto-assemblage de ces briques en oligomères cycliques et la complexation de ces cavitands avec des biomolécules d’intérêt / The recognition of biomolecules in complex biological media is a challenge associated with various therapeutic applications. The chemist can address this issue following two approaches: either he designs him-self and synthesises its molecules or he selects a commercially available or natural molecule and directly uses it for its properties. Following the last strategy, dendrigraft of lysine (DGL) efficiently neutralised all classes of the anticoagulant heparin, with a superior effect compared to protamine, the only FDA-approved drug in case of heparin overdosage. A study by molecular dynamic revealed the mechanism of binding between heparins and DGL and protamine respectively. At the opposite of this approach, we used dynamic combinatorial chemistry in order to obtain disulfide bridged cyclophanes from the self-assembly of various 1,4-bisthiophenols by oxidation of thiols into disulfide bonds. By a combination of theoretical (DFT and molecular dynamic) and experimental studies, we investigated the driving forces and the influences of fundamental concepts such as solvation and steric effects for the self-assembly of these polythiols and the binding of the corresponding cavitands with therapeutic biomolecules