Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs la synthèse chimique de nouveaux ligands de la protéine de translocation 18 kDa (TSPO), leur évaluation in vitro et le radiomarquage isotopique des candidats les plus prometteurs par l’émetteur de positons à vie brève fluor-18 (t1/2 : 109,8 minutes). Ce travail a pour finalité le développement de nouvelles sondes moléculaires ou biomarqueurs pour l’imagerie non-invasive et atraumatique par Tomographie par Emission de Positons (TEP) de la neuroinflammation, processus reconnu dans les maladies neurodégénératives telles la maladie d’Alzheimer, de Parkinson, la sclérose en plaque et certaines maladies psychiatriques.Le radioligand de choix pour l’imagerie de la TSPO est actuellement le [18F]DPA-714, une pyrazolo[1,5-a]pyrimidine marquée au fluor-18 récemment développée au laboratoire. Cependant, cette molécule subit in vivo la perte rapide de l’atome de fluor radioactif par rupture du motif fluoroalkoxy comme démontrée lors de l’étude de son métabolisme. Mon projet de thèse a donc visé à concevoir et développer de nouveaux dérivés structurellement proches de DPA-714 (analogues) pour lesquelles la liaison entre le squelette principal et le fluor-18 serait renforcée. C’est dans ce cadre que dix-neuf composés ont été préparés et évalués pour leur affinité pour la TSPO, et que deux candidats prometteurs, DPA-C5yne et CfO-DPA-714, ont été radiomarqués au fluor-18 avec de bons rendements radiochimiques (20-30 %) et de hautes radioactivités spécifiques (50-90 GBq/µmol). Ces radioligands ont également été évalués in vivo par imagerie TEP et présentent, chez l’animal, des performances équivalentes voire légèrement supérieures à [18F]DPA-714. / The work presented in this manuscript aims to describe the synthesis of new ligands of the translocation protein 18 kDa (TSPO), their in vitro evaluation and, for the most promising candidates, their isotopic radiolabelling with the short-lived positron emitter fluorine-18 (t1/2 : 109.8 minutes). The ultimate goal of this work consists in developing new molecular probes, or biomarkers, for imaging neuroinflammation in a non-invasive and atraumatic manor using Positron Emission Tomography (PET). Neuroinflammatory processes have been identified in Alzheimer and Parkinson diseases, MS and various psychiatric pathologies.The radioligand of choice for imaging TSPO is currently [18F]DPA-714, a pyrazolo[1,5-a]pyrimidine radiolabelled with fluorine-18 which has been recently prepared in our laboratories. However, [18F]DPA-714 undergoes a rapid in vivo loss of the radioactive fluorine by cleavage of the fluoroalkoxy chain as demonstrated in metabolic studies. Therefore, my PhD project aimed to design and develop new structurally related analogues of DPA-714 where the linkage between the main backbone and the fluorine-18 would be reinforced. To this extent, nineteen compounds were prepared and their affinity towards the TSPO was evaluated. Two promising candidates, coded DPA-C5yne and CfO-DPA-714, were radiolabelled with fluorine-18 with good radiochemical yields (20-30 %) and high specific radioactivities (50-90 GBq/µmol). These radioligands were also evaluated by PET imaging at the preclinical stage and displayed equivalent or slightly improved results when compared to [18F]DPA-714.

Au cours de cette thèse, deux sujets distincts ont été étudiés : d’une part la synthèse d’analogues de la coelentérazine, substrat de différentes luciférases, pour une application en imagerie in vivo, et d’autre part la synthèse d’analogues du (-)-EGCG, inhibiteur de la kinase Dyrk1a, impliquée notamment dans les troubles cognitifs rencontrés dans la trisomie 21.La problématique du premier sujet consistait à obtenir des analogues de la coelentérazine conservant leur activité sur deux luciférases, la luciférase Renilla et l’aequorine, tout en induisant un déplacement vers le rouge de la bioluminescence produite par ces enzymes. L’aequorine, sensible au calcium, représentait la cible biologique principale du projet.Sept analogues dont six originaux ont été obtenues par des méthodes de synthèse classiques, et leurs activités ont pu être testées sur les deux luciférases choisies, avec des résultats probants : malgré des émissions de lumière moins intenses que celles obtenues avec la coelentérazine native, plusieurs molécules ont entrainé un déplacement vers le rouge de la longueur d’onde d’émission de lumière par bioluminescence allant jusqu’à 27 nm pour l’aequorine et plus de 120 nm pour la luciférase Renilla.Le second sujet, de chimie médicinale classique, a principalement consisté à la synthèse d’analogues du gallate d’épigallocatéchine (EGCG) au squelette simplifié, et au sein desquels le cycle pyranique caractéristique des catéchines a été remplacé par un carbocycle. Plusieurs molécules ont pu être synthétisées, dont deux présentant le motif hexaphénol. Leur activité inhibitrice de Dyrk1a a pu être testée in vitro et l’une d’entre elle s’est déjà révélée plus active que l’EGCG. / During this thesis, two distinct projects were studied: on the one hand, the synthesis of coelenterazine analogs, substrate of several luciferases, in the purpose of using them for in vivo imaging, and on the other, the synthesis of (-)-EGCG analogs, inhibitor of the Dyrk1a kinase, which interests us for the role it plays in the mental retardation existing in the Down Syndrome disease.The problematic of the first project consisted in obtaining coelenterazine analogs that would not only maintain their activity on two luciferases, the Renilla luciferase and aequorine, but they should also induce a red-shift of the bioluminescence produced by these enzymes. Because of its sensitivity to calcium, aequorine was the main biologic target of this project.Seven analogs, of which six had an original structure, were synthesized through usual synthetic methodologies and their activities on both aequorine and Renilla luciferase were tested in vitro, with interesting results: even if the intensities of light emission were weaker than those obtained with native coelenterazine, several molecules produced a red-shift of the emission wavelength of bioluminescence, up to 27nm for aequorine and more than 120nm for the Renilla luciferase. The second project, of classical medicinal chemistry, mainly consisted in the synthesis of epigallocatechin gallate analogs (EGCG) with a simplified backbone and in which the pyranic ring typical of catechins was replaced by a carbocycle. Several molecules were synthesized, two of them possessing the hexaphenol motif. Their inhibiting activity of Dyrk1a was tested in vitro and one already showed a better activity than natural EGCG.

Le projet de recherche a été réalisé en collaboration avec Professeur Jean-François Masson du Département de Chimie de l'Université de Montréal. The research project was made in collaboration with Professor Jean-François Masson from the Chemistry department of University of Montreal. / L'objectif du projet de recherche est de développer une méthode de criblage d’inhibiteurs basée sur une technologie émergente, soit un dispositif portatif utilisant la résonance des plasmons de surface (SPR). La cible du criblage est la dihydrofolate réductase R67 (DHFR R67), une enzyme qui confère une résistance bactérienne à l'antibiotique triméthoprime. Ici, l'enzyme cible est immobilisée sur une surface d'or mince avec des propriétés plasmoniques (optiques) spécifiques qui varient en fonction de la masse des molécules se liant à cette surface. Cette technique permet de suivre les événements de liaison de molécules à la DHFR R67 immobilisée, et ainsi peut permettre l'identification d'inhibiteurs potentiels. Cependant, la masse molaire des inhibiteurs typiquement utilisés lors de criblages préliminaires (i.e. 500-1000 g/mol) est trop faible pour générer un signal SPR détectable. Afin de contrer cette lacune, ce mémoire a pour objet de développer un essai compétitif indirect qui mettra en jeu des molécules de masse supérieure. D’abord, une nanoparticule d'or portant un analogue de substrat se liera à la DHFR R67 immobilisée à la surface d’or, générant ainsi un signal SPR important en raison de la masse molaire élevée de la nanoparticule. Ensuite, lors du criblage d'inhibiteurs potentiels, les nanoparticules liées seront déplacées de l'enzyme cible si la molécule criblée fournit une affinité suffisante. Ainsi, il sera possible de suivre indirectement la liaison d'un inhibiteur à la cible. Ce projet vise donc à tester et à valider l'approche de criblage SPR appliquée à la DHFR R67. / The objective of the research project is to develop a method for inhibitor screening based on a portable Surface Plasmon Resonance (SPR) device, an emerging technology. The target is R67 dihydrofolate reductase (R67 DHFR), an enzyme that confers bacterial resistance to the antibiotic trimethoprim. Here, the target enzyme is linked to a thin gold surface having specific plasmonic (optical) properties that vary as a function of the mass of bound molecules. This allows monitoring binding to the surface-linked R67 DHFR, and thus permits identification of inhibitors. However, the mass of the low-affinity inhibitors typically identified in early stages of screening (i.e. 500-1000 g/mol) is too low to produce a significant SPR signal. To address this shortcoming, a competitive assay will be developed: a gold nanoparticle carrying a substrate analog will bind the surface-immobilized R67 DHFR, resulting in a strong SPR signal due to its high mass. Then, upon screening for potential inhibitors, the bound nanoparticle will be displaced from the target enzyme if a molecule provides sufficient affinity. By those means, it will be possible to indirectly monitor the binding of an inhibitor to the target. This goal of this project is to test and validate the SPR screening approach applied to R67 DHFR.

Le portentol est un polypropionate qui possède une structure spirocyclique très originale. Cette molécule, dont il n'existe encore aucune synthèse totale, a été isolée du lichen Rocella portentosa à la fin des années 1960. Dans le but d'accéder au squelette du portentol, nous avons développé une méthodologie visant à synthétiser des spirotétrahydropyranes fonctionnalisés via une cyclisation de Prins. Au cours de ce travail, un phénomène de dédoublement cinétique dynamique a aussi été mis en évidence. La stachybotrine C, isolée à partir de la bactérie Stachybotrys parvispora, possède des propriétés neurotrophiques et neuroprotectrices très intéressantes. Deux voies de synthèse ont été envisagées pour préparer ce produit naturel. La première voie repose sur une réaction d'hydroarylation d'un éther propargylique catalysée à l'or, suivie d'une oxydation régiosélective du chromène résultant. La seconde voie fait intervenir une étape clé d'époxydation/cyclisation d'un alkénylphénol obtenu suite à un réarrangement de Claisen. Ces travaux nous ont permis d'accomplir la synthèse totale de la stachybotrine C, de réviser sa structure et de déterminer sa configuration absolue. / Portentol is a polypropionate with an unusual spirocylic structure. This natural product, which has never been synthesized, has been isolated from the lichen Rocella portentosa. To access the spiranic moiety of the portentol, we have developed a methodology to synthesize spirotetrahydropyranes through a Prins cyclization. Through the study of the scope of this reaction, an usual dynamic kinetic resolution has been highlighted. Stachybotrin C, isolated from the bacteria Stachybotrys parvispora, exhibits interesting neuritogenic and neuroprotective properties. To prepare this natural product, two synthetic routes have been investigated. The first one is based on a gold-catalyzed hydroarylation of a propargyllic ether followed by a regioselective oxidation of the resulting chromene. The second pathway involves as a key step an epoxydation/cyclisation of a phenol prepared via a Claisen rearrangment. We accomplished the synthesis of stachybotrin C, revised its structure and established its absolute configuration.

Les relations entre la structure des composés chimiques et leurs propriétés sont complexes et à haute dimension. Dans le processus de développement de médicaments, plusieurs proprié- tés d’un composé doivent souvent être optimisées simultanément, ce qui complique encore la tâche. Ce travail explore deux représentations des composés chimiques pour les tâches de prédiction des propriétés. L’objectif de ces représentations proposées est d’améliorer l’explicabilité afin de faciliter le processus d’optimisation des propriétés des composés. Pre- mièrement, nous décomposons l’algorithme ECFP (Extended connectivity Fingerprint) et le rendons plus simple pour la compréhension humaine. Nous remplaçons une fonction de hachage sujet aux collisions par une relation univoque de sous structure à bit. Nous consta- tons que ce changement ne se traduit pas par une meilleure performance prédictive d’un perceptron multicouche par rapport à l’ECFP. Toutefois, si la capacité du prédicteur est ra- menée à celle d’un prédicteur linéaire, ses performances sont meilleures que celles de l’ECFP. Deuxièmement, nous appliquons l’apprentissage automatique à l’analyse des paires molécu- laires appariées (MMPA), un paradigme de conception du développement de médicaments. La MMPA compare des paires de composés très similaires, dont la structure diffère par une modification sur un site. Nous formons des modèles de prédiction sur des paires de com- posés afin de prédire les différences d’activité. Nous utilisons des contraintes de similarité par paires comme MMPA, mais nous utilisons également des paires échantillonnées de façon aléatoire pour entraîner les modèles. Nous constatons que les modèles sont plus performants sur des paires choisies au hasard que sur des paires avec des contraintes de similarité strictes. Cependant, les meilleurs modèles par paires ne sont pas capables de battre les performances de prédiction du modèle simple de base. Ces deux études, RCFP et comparaisons par paires, visent à aborder la prédiction des propriétés d’une manière plus compréhensible. En utili- sant l’intuition et l’expérience des chimistes médicinaux dans le cadre de la modélisation prédictive, nous espérons encourager l’explicabilité en tant que composante nécessaire des modèles cheminformatiques prédictifs. / The relationships between the structure of chemical compounds and their properties are complex and high dimensional. In the drug development process, multiple properties of a compound often need to be optimized simultaneously, further complicating the task. This work explores two representations of chemical compounds for property prediction tasks. The goal of these suggested representations is improved explainability to better understand the compound property optimization process. First, we decompose the Extended Connectivity Fingerprint (ECFP) algorithm and make it more straightforward for human understanding. We replace a collision-prone hash function with a one-to-one substructure-to-bit relationship. We find that this change which does not translate to higher predictive performance of a multi- layer perceptron compared to ECFP. However, if the capacity of the predictor is lowered to that of a linear predictor, it does perform better than ECFP. Second, we apply machine learning to Matched Molecular Pair Analysis (MMPA), a drug development design paradigm. MMPA compares pairs of highly similar compounds, differing in structure by modification at one site. We train prediction models on pairs of compounds to predict differences in activity. We use pairwise similarity constraints like MMPA, but also use randomly sampled pairs to train the models. We find that models perform better on randomly chosen pairs than on pairs with strict similarity constraints. However, the best pairwise models are not able to beat the prediction performance of the simpler baseline single model. Both of these investigations, RCFP and pairwise comparisons, aim to approach property prediction in a more explainable way. By using intuition and experience of medicinal chemists within predictive modelling, we hope to encourage explainability as a necessary component of predictive cheminformatic models.