Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Cet ouvrage porte sur les macrocycles organiques. Une introduction générale sur les propriétés des macrocycles et leurs rôles dans la chimie des matériaux et le développment des médicaments est présentée en premier lieu pour expliquer notre intérêt particulier sur cette classe de molécules. Le premier chapitre parle d’une nouvelle conception des nanotubes supramoléculaires par auto-assemblage des macrocycles de forme persistante. Nous avons exploité la capacité d’auto-assembler des différents types de cyclopeptides de squelette rigidifié en structures nanotubulaires. Cette approche a aussi été bien étudiée par plusieurs groupes de recherche de la littérature. Une caractéristique commune dans toutes ces conceptions est le besoin des fonctions amides qui sont disposées à l’intérieur du macrocycle et responsables des ponts Hydrogènes intermoléculaires pour diriger l’auto-organisation en nanotubes. Cette approche fonctionnait bien mais trouve limitée dans le cas où la structure cyclique manque des motifs (en particulier les amides) responsables de l’auto-assemblage par exemple les structures π-conjuguées. Pour ce genre de molécules, l’incorporation des longues chaînes latérales alkyles en périphérie du cycle représente la méthode habituelle pour obtenir l’empilement efficace entre les molécules. Par contre, le matériau formé présente souvent un désordre moléculaire et une faible cristallinité. Nous proposons une meilleure conception pour stimuler la croissance unidimensionnelle en ajoutant les fonctions amides susceptibles des liaisons Hydrogène intermoléculaire en périphérie du cycle. La tribenzocyclyne (TBC) est choisie comme échafaudage pour examiner cette stratégie qui n’a jamais été appliquée et rapportée sur un système cyclique pour le même objectif. L’intensité et la directionnalité des interactions Hydrogène supporteraient l’auto-organisation efficace de ces dérivés de TBC en nanotubes comme manifestée par quelques calculs semi-empiriques. De différentes générations de TBC portant des amides latéraux ont été conçues, synthétisées et discutées pour améliorer la synthèse et pouvoir obtenir l’arrangement désiré des molécules. Afin de favoriser la compréhension sur les nanotubes supramoléculaires, une introduction sur la chimie supramoléculaire, les interactions non-covalentes et les différentes approches vers les nanotubes supramoléculaires est résumée en détail. Toujours concernant les marcocycles, le deuxième chapitre aborde la conception des nouveaux agonistes cycliques ciblant le récepteur opioïde δ (DOPr). Les résultats préliminaires obtenus par notre groupe ont permi de proposer une conformation de Leu-enképhaline (LENK), le ligand endogène activant le DOPr, qui est très probablement celle trouvée dans le site actif de DOPr. En basant sur ce modèle, nous voulons concevoir des macrocycles dont le squelette est fixé plus ou moins vers cette conformation active hypothétique en incorporant les espaceurs appropriés entre les pharmacophores. Les nouvelles molécules sont considérées comme candidats-agonistes sélectifs δ car la conception fixerait la conformation spécifique pour la liaison avec le DOPr au lieu des autres récepteurs opioïdes surtout le μ (MOPr). L’objectif à long terme de ce projet, qui est en collaboration avec le laboratoire du Professeur Louis Gendron, est d’obtenir les agonistes sélectifs δ puissants pour soulager les douleurs sévères et/ou chroniques avec les effets secondaires réduits ou éliminés. Ces effets indésirables constituent le problème majeur qui limite l’efficacité ou suspend la médication des agonistes opioïdes telles que la morphine dans le traitement de la douleur. Pour comprendre mieux l’arrivée des nouveaux macrocycles synthétisés et discutés dans ce chapitre, une introduction générale sur la douleur et les traitements actuels, les récepteurs opioïdes et leur rôle dans la modulation de la douleur est présentée en premier lieu. Les résultats préliminaires par notre groupe et les collaborations sont aussi résumées. Finalement, une concise annexe sur l’exploration d’une nouvelle conception de nanosphères supramoléculaires est ajoutée en dernier lieu. Ces nanocapsules résulteraient de l’auto-assemblage des dérivés de corannulène portant des amides latéraux, ce qui imitent la structure de la capside sphérique chez plusieurs virus.

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Deux sujets indépendants ont été traités dans ce manuscrit.Dans une première partie a été étudiée la possibilité d'obtenir des synthons chiraux à partir de la pyridine. Pour cela nous avons dans un premier temps développé une méthode originale de quaternisation des sels de pyridium et d'imidazoliums grâce à une réaction de Mitsonubu. Par la suite, des 2-aminopyridines ont été substituées puis engagées dans une réaction de quaternisation-réduction conduisant à des composants saturés. Malheureusement, des composés n'ont pu conduire aux synthons linéaires envisagés.Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés au développement d'un nouveau type de peptidomimétique dans lequel le lien amide est remplacé par un cycle imidazolique, ceci dans la continuité de travaux menés dans notre équipe. Dans un premier temps, nous nous sommes focalisés sur la mise au point de conditions efficaces menant au mime considéré. Cette méthodologie nous a permis la synthèse de plusieurs dipeptides.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un projet à long terme concernant le développement de nouveaux composés peptidomimétiques à motif oxaprolines et oxadiazine-3,6-diones présentant des activités biologiques ou des potentiels de structuration intéressants. En particulier, nous nous sommes attachés à synthétiser différents mimes du peptide Pro-Leu-Gly-NH2, un modulateur allostérique des récepteurs D2 de la dopamine. Ces dérivés ont présenté une activité sur des cellules du striatum supérieure en comparaison avec les valeurs obtenues avec le peptide de référence PLG. D’autre part, notre intérêt pour des structures de type oxadiazine-3,6-diones (Oxd), des motifs très peu décrits dans la littérature, nous a permis d’accéder à une librairie de 1,2,4- et d’1,2,5-Oxd, que nous avons par la suite insérée dans de courtes séquences peptidiques, valorisées comme mime potentiel de beta-turn. Enfin, au cours de ces travaux de doctorat, une nouvelle méthodologie de clivage chimiosélectif de groupements protecteurs a été développée. Cette stratégie originale, basée sur l’utilisation de MgI2 dans le THF sous irradiation micro-ondes, a permis de mettre en évidence de nouvelles orthogonalités telles que le maintien d’un groupement Fmoc lors d’un clivage d’un ester éthylique ou méthylique, ou encore de la résine de Merrifield. / This work is a part of a long-term project aiming to develop original oxaproline and oxadiazine-3,6-diones peptidomimetics with biological activities or potential folding properties. Especially, we proposed an access to various mimetics of the Pro-Leu-Gly-NH2 peptide (PLG), an allosteric modulator of the dopamine D2 receptor. The synthesized derivatives revealed to exhibit higher activity on striatum cells than the PLG initial reference.Moreover, our interest for the poorly described oxadiazine-3,6-diones (Oxd) scaffolds led us to access to a library of 1,2,4- and 1,2,5- Oxd, that we are able to efficiently insert into short peptide sequences with potential beta-turn inducing properties.Finally, during this Ph.D work, an unprecedented methodology for the chemoselective cleavage of protecting groups was developed. Using MgI2 in THF under microwave irradiations, this strategy highlighted novel orthogonalities such as the conservation of the Fmoc protecting group during ethyl or methyl ester deprotection, or even, during the Merrifield resin cleavage.

Deux sujets indépendants ont été traités dans ce manuscrit.Dans une première partie a été étudiée la possibilité d'obtenir des synthons chiraux à partir de la pyridine. Pour cela nous avons dans un premier temps développé une méthode originale de quaternisation des sels de pyridium et d'imidazoliums grâce à une réaction de Mitsonubu. Par la suite, des 2-aminopyridines ont été substituées puis engagées dans une réaction de quaternisation-réduction conduisant à des composants saturés. Malheureusement, des composés n'ont pu conduire aux synthons linéaires envisagés.Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés au développement d'un nouveau type de peptidomimétique dans lequel le lien amide est remplacé par un cycle imidazolique, ceci dans la continuité de travaux menés dans notre équipe. Dans un premier temps, nous nous sommes focalisés sur la mise au point de conditions efficaces menant au mime considéré. Cette méthodologie nous a permis la synthèse de plusieurs dipeptides. / Two different topics will be discussed in this work.In the first part has been studied the possibility to obtain chiral building-blocks from pyridine. For this purpose, we intially developed an original method for quartenization of pyridium and imidazolium salts through a Mitsonubu reaction. Then, 2-aminopyridines were substituted and then engaged in a quaternization-reduction reaction, leading to satured compounds. Unfortunately, these compounds have not leaded to targeted linear building-blocks.In a second part, we have been interested in the deveopment of a new peptidomimetic family in which the amide bond is replaced by an imidazole ring, extension of previous work in our research group. Initially we focused on the development of conditions leading to considered mimic. This methodology has allowed us the synthesis of several dipetides incorporating our mimic with good results. The determination of acido-basic properties of these structures has also been investigated.

Résumé : La protéolyse par les proprotéines convertases (PC) représente une étape cruciale de maturation pour de nombreux peptides et protéines destinés aux voies de sécrétions cellulaires. Parmi ces substrats des PC, de nombreuses molécules participent aux étapes clés de progression tumorale. L’enzyme PACE4, une des PC, est d’ailleurs surexprimée dans le cancer de la prostate et des études antérieures réalisées dans notre laboratoire démontrent que cette protéase occupe un rôle essentiel et non redondant dans la progression du cancer de la prostate. Puisque PACE4 représente une cible thérapeutique potentielle pour le traitement du cancer de la prostate, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse vise à développer un inhibiteur pharmacologique de PACE4 et d’évaluer son potentiel thérapeutique. Le développement d’inhibiteur spécifique à la PACE4 représente un défi de taille, puisque le site actif des PC démontre un fort niveau d’homologie. Bien que les sous-sites S1 à S4 des PC soient hautement conservés, la littérature suggère qu’il existe des déterminants moléculaires exploitables au sein des sous-sites S5 à S8. Ainsi, ces observations suggèrent qu’une sélectivité d’inhibition pourrait provenir de courts peptides. En analysant les profils d’inhibition obtenus pour divers peptides inhibiteurs des PC, la séquence Ac-LLLLRVKR-NH[indice inférieur 2], nommée Multi-Leu, a été identifiée comme inhibiteur permettant d’obtenir une préférence d’inhibition 20 fois plus importante pour PACE4 que pour Furine. Dans le but d’améliorer les propriétés pharmacocinétiques du composé et permettre son utilisation comme inhibiteur pharmacologique, des études de relation structure-activité ont été conduites. Ces études ont permis de déterminer que le peptide Multi-Leu est sujet à une dégradation par des exopeptidases, et par conséquent l’addition d’acides aminés non naturels aux extrémités N et C-terminales permet d’augmenter la stabilité du composé. Suivant cette étude, la modification amidinobenzylamide (Amba) a été introduite en position P1, permettant d’augmenter la puissance d’inhibition du composé, ainsi qu’un stéréoisomère D-Leucine en position P8. La caractérisation du potentiel inhibiteur du peptide Ac-[DLeu]LLLRVK-Amba démontre l’efficacité du peptide in vivo alors qu’une administration par voie intra veineuse du composé parvient à freiner la progression tumorale dans un modèle de xénogreffes de cancer de la prostate. Dans ce modèle, l’analogue du peptide Multi-Leu parvient à bloquer la néovascularisation tumorale en plus d’induire la quiescence et l’apoptose dans les tumeurs traitées. // Abstract : Numerous secreted peptides or proteins require a proteolytic activation by the proprotein convertases (PC) to fully gain their biologic activities. Among substrates of the PC family, there exist various cancer-related molecules. The enzyme PACE4, one of the seven kexinlike PC has been demonstrated to be overexpressed in prostate cancer and to have a nonredundant role in prostate cancer progression. Since PACE4 is a validated therapeutic target for prostate cancer, the main aim of this thesis was to develop a pharmacologic PACE4 inhibitor and to evaluate its therapeutic potential. The development of PACE4 specific inhibitors represents a challenge since PC share an important homology level within their active site. Whereas S1 to S4 subsites appear to be highly homologous within the PC family, litterature suggests that significant differences exist in subsites S5 and beyond, suggesting that peptide compound could result in specific inhibitors. In this thesis, the Multi-Leu peptide (Ac-LLLLRVKR-NH[subscript 2]) was identified as a selective PACE4 inhibitor, which displays a 20-fold inhibitory preference toward PACE4 over furin. In order to improve Multi-Leu peptide pharmacokinetic profile, structureactivities relationship studies were performed and allowed for the identification of two modifications that increase both inhibitory properties and stability of this molecule. Peptide resulting from introduction of an arginine mimetic residue amidinobenzylamide (Amba) in P1 and a stereoisomer D-Leucine in position P8 displayed an improved pharmacokinetic profile. Futhermore, intravenous administration of the compound Ac-[DLeu]LLLRVKAmba significantly inhibited prostate cancer progression in a LNCaP xenograft model of prostate cancer. This Multi-Leu peptide analog also inhibited tumor neovascularisation along with inducing cell quiescence and apoptosis in tumors of treated animals.

La formation des agrégats des peptides et des protéines par l'interaction de feuillets β a de plus en plus attiré l'attention car elle se produit dans de nombreuses maladies humaines généralisées, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie d'Alzheimer (AD), la maladie de Parkinson (PD), les maladies à prions et la maladie de Huntington (HD). La maladie d'Alzheimer est la forme la plus courante de démence qui provoque la perte de la mémoire chez les personnes âgées. En 2013, il y avait 35 millions de personnes souffrant de AD à travers le monde, un chiffre qui devrait doubler d'ici 2050. Etiologiquement ces maladies se manifestent par des dépôts anormaux de protéines, y compris les plaques neuritiques séniles (PNS) et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF). L'accumulation extracellulaire d'agrégats insolubles de la protéine β-amyloide (A) conduit à la formation de plaques séniles, tandis que DNF se produisent à l’intérieur des neurones et sont composés par des filaments hélicoidaux appariés de la protéine tau hyperphosphorylée. Les peptides A sont produits en tant que monomères solubles et subissent l'oligomérisation et la formation de fibrilles amyloides par un processus qui n’a pas été complètement clarifié. Il est suggéré que les peptides Aß solubles jouent un rôle important dans la croissance neuronale, la survie et la modulation synaptique, tandis que les oligomères et fibrilles ont des propriétés toxiques. Une nouvelle stratégie thérapeutique vers la prévention ou le traitement de maladies associées à des structures -feuillet et, en particulier, AD, est représentée par la synthèse de mimes de -brins qui peuvent antagoniser la formation ou la reconnaissance de feuillet ß. En fait, dans la maladie d’Alzheimer, le processus d'agrégation des protéines implique une transition de la structure secondaire non ordonnée/α-hélice à une conformation riche en feuillet β, conduisant à la formation de feuillet croisés. Sur la base des quelques données publiées récemment sur des mimes d’épingles  et en particulier des structures macrocycliques de Nowick, comme inhibiteurs de l'agrégation des protéines, nous avons supposé qu’une pré-structuration des molécules peptidomimétiques pourrait augmenter leur affinité pour les peptides A et donc augmenter leur activité inhibitrice de l'agrégation. Notre conception vers un mime d’épingle stable, qui pourrait interagir et éventuellement agir en tant que ligand de feuillets β et inhibiteur de l'agrégation, implique l’assemblage d’une dicétopipérazine bifonctionnelle en tant que scaffold , d’un brin peptidomimétique pour stabiliser la formation de feuillets β et enfin d’une séquence peptidique convenable pour la liaison à la protéine. Ces molécules ont montré une interaction avec le peptide Aβ1-42 ainsi qu’une modulation de la cinétique d’agrégation. / The formation of peptide and protein aggregates through the interaction of β-sheets has increasingly drawn attention since it occurs in many widespread human diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Alzheimer’s disease (AD), Parkinson's disease (PD), prion diseases, and Huntington's disease (HD). Alzheimer’s disease is the most common form of dementia that causes memory loss in the elderly. In 2013, 35 million people were afflicted with AD worldwide, a number expected to double by 2050. Etiologically, the most common findings are abnormal protein deposits, including senile neuritic plaques (SNPs) and neurofibrillary tangles (NFTs). The extracellular accumulation of insoluble aggregates of β-amyloid protein (Aβ) leads to the formation of senile plaques, whereas NFTs occur intracellulary and are composed of paired helical filaments of hyperphosphorylated tau protein. Aβ peptides are produced as soluble monomers and undergo oligomerization and amyloid fibril formation via an unclear process. It is suggested that soluble A peptides play an important role in neuronal growth, survival, and synaptic modulation, while the oligomers and fibrils have toxic properties. Mimicking -strands to antagonize -sheet formation or recognition represent a new therapeutic strategy toward the prevention or treatment of diseases associated with -sheet structures such as AD. In this pathology, protein aggregation process involves a secondary structure transition from unordered/α-helix to a β-sheet rich conformation, leading to cross β-sheet structure formation. Based on the few recent published data on β-hairpin mimics, in particular on the macrocyclic structures of Nowick, as inhibitors of protein aggregation, we hypothesized that pre-structuring the peptidomimetic molecules might increase their affinity for Aβ peptides and thus increase their aggregation inhibitory activity. Our design towards a stable β-hairpin mimic (Figure 1), which could interact and eventually act as a β-sheet binder and aggregation inhibitor, involved assembling of a bifunctional diketopiperazine scaffold , a peptidomimetic strand to stabilize the formation of β-sheets and finally a suitable peptide sequence for binding to the aggregating protein. These molecules were shown to interact with the native Aβ1-42 peptide and modulate the kinetics of aggregation.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans de nombreux processus pathologiques de maladies qui restent souvent incurables. Ces protéines solubles dans leur forme native, s’auto- assemblent pour former des oligomères, des fibrilles, des fibres et enfin des agrégats riches en feuillets β. C’est ce processus délétère qui est le point commun entre ces maladies amyloïdes. La protéine amyloïde la plus décrite est le peptide Aβ suspecté de jouer un rôle primordial dans la maladie d’Alzheimer. Récemment, les petits oligomères du peptide Aβ1-42 formés lors des étapes précoces de ce processus ont été décrit comme étant les plus toxiques.Au cours de cette thèse, nous avons donc développé deux méthodes pour pouvoir évaluer l’activité des composés synthétisés sur les étapes précoces de l’oligomérisation et une pour étudier l’affinité du peptide Aβ1-42 pour son ligand. Nous avons également conçu et synthétisé des peptidomimétiques comme ligands du peptide Aβ1-42 capables ainsi de perturber les interactions protéine-protéine du processus d’agrégation du peptide Aβ1-42. L’évaluation de ces composés ainsi que de différents ligands synthétisés au laboratoire a permis une intéressante étude sur la relation entre la structure des composés évalués et leurs activités sur les étapes cruciales du processus d’oligomérisation du peptide Aβ1-42. Des études de viabilité cellulaire, de RMN et de Docking sont en cours pour améliorer notre compréhension du mode d’action de ces composés et du processus d’oligomérisation du peptide Aβ1-42. / Amyloid proteins are involved in many pathological processes of diseases that are often incurable. These soluble proteins in their native form self-assemble to form oligomers, fibrils, fibers and finally aggregates rich in β-sheets. It is this deleterious process which is the common point between these amyloid diseases. The most described amyloid protein is the Aß peptide suspected of playing a key role in Alzheimer's disease. Recently, small peptide Aβ1-42 oligomers formed during the early stages of this process have appeared to be the most toxic species.In this thesis, we have developed two methods to evaluate the activity of different synthesized compounds on the early steps of oligomerization and one method to study the affinity of Aβ1-42 peptide for its ligand. We have also designed and synthesized peptidomimetics as ligands of Aβ1-42 peptide which are able to disrupt protein-protein interactions involved in the aggregation process of Aβ1-42 peptide. Evaluation of these compounds as well as other ligands synthesized in the laboratory allowed an interesting study on the relationship between the structure of the tested compounds and their activities on the critical steps of the oligomerization process of Aβ1-42 peptide. Cell viability studies, NMR and docking are underway to improve our understanding of the mode of action of these compounds and of the oligomerization process of Aβ1-42 peptide.