Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thrombosis is the most important pathological process underlying many cardiovascular diseases, which are responsible for high mortality worldwide. In this theses the computer-aided design of new anti-thrombotic agents able to inhibit two types of receptors located on the surface of the platelets has been applied. The first one - αIIbβ3 - is responsible for the interaction of activated platelets with fibrinogen to form clots, whereas the second one - thromboxane A2 - is responsible for platelet activation by one of agonists excreted by activated platelets. To achieve this, different types of models have been developed using experimentally available information and structure of protein-ligand complexes. This concerns: QSAR models, structure-based and ligand-based 3D pharmacophore models, 2D pharmacophore models, shape-based and molecular field-based models. The ensemble of the developed models were used in virtual screening. This study resulted in suggestion of new potential antagonists of αIIbβ3 and thromboxane A2 receptors. Suggested antagonists of αIIbβ3 able to bind either open or closed form of the receptor have been synthesized and tested experimentally. Experiments show that they display high activity; moreover some of theoretically designed compounds are more efficient than Tirofiban - the commercialized drug molecule. The recommended antagonists of thromboxane A2 receptor have been already synthesized but biological tests have not been completed yet.

Chapter 1 gives background information on proteases and discusses the concept of protease inhibition as a therapeutic strategy for humans. It introduces the key concept that conformation defines biological activity. It also outlines how proteases almost universally bind their substrate/inhibitors in an extended β-strand conformation. The use of calpain as a prototype protease for the testing of β-strand mimics synthesised later in the thesis is also discussed. Chapter 2 describes how molecular modeling was used to rationalise the structure based activity relationships (SAR) of known calpain inhibitors. Molecular modeling was then used to successfully design a number of acyclic β-strand mimics. The synthesis and testing of eight such inhibitors is described. The most potent β-strand mimic prepared was 2.13. This was determined to have an IC₅₀ of 30 nM against calpain II. Chapter 3 outlines the history and application of ring closing metathesis (RCM) to the synthesis of cyclic compounds. The attempted synthesis of an eight membered cyclic nitrogen to nitrogen conformationally constrained dipeptide is described. The synthesis of a conformationally constrained β-amino acid calpain inhibitor (3.73) is also described. A novel calpain inhibitor motif was designed in Chapter 4. On the basis of this an in-silico combinatorial library of two hundred and eighty eight possible β-strand templates was prepared. Conformational analysis of this library was performed and from this a number of excellent β-strand templates were identified and selected for synthesis. The preparation of ten β-strand templates is described. New microwave irradiation methodology was developed to achieve this. vii The formation of a six-membered catalyst deactivating chelate is also proposed to explain why some dienes fail to undergo RCM. Two methods to circumvent the formation of such a chelate are outlined. The addition of Lewis acid chloro-dicyclohexyl borane to the RCM reaction mixture and chain length alteration are investigated. Chapter 5 describes the design of macrocyclic β-strand mimics using induced fit molecular modelling. The physicochemical properties of these were calculated in-silico. From this analysis a number of Tyr-XX-Gly based and Tyr-XX-Cys based macrocyclic calpain inhibitors were selected for synthesis. The preparation and testing of these are described. In the Tyr-XX-Gly macrocyclic system a number of variables were investigated and numerous SAR implications concluded. Aldehyde 5.14 was identified as the best electrophilic warhead macrocyclic calpain inhibitor with an IC₅₀ against calpain II of 27 nM. The best non-electrophilic warhead macrocycle (5.13) had an IC₅₀ against calpain II of 704 nM. Chapter 6 describes synthetic optimisation for the preparation of calpain inhibitors 2.13, 5.14 and 5.17. Multi-gram quantities of each were prepared. Aldehydes 2.13 and 5.14 were evaluated as anti-cataract agents using in-vivo cataract sheep model. Both of these β-strand mimics were demonstrated to retard cataract development. Macrocycle 5.14 was found to be the most effective, decreasing the rate of cataract development between forty four and forty nine per cent relative to control. Chapter 7 outlines the attempted development of RCM methodology for the chiral synthesis of α-α disubstituted amino acid lactams. In addition, methodology for the stereoselective incorporation of a C-N constrained β-amino acid carbocycle into a peptide or peptidomimetic is described.

Dans les thérapies anticancéreuses, les traitements anti-angiogéniques agissant sur l’axe VEGF/VEGFR ont une place importante en clinique. Dans ce contexte, nous avons conçu et évalué l’activité de nouveaux inhibiteurs de l’interaction VEGF/VEGFR. Une première approche a été la conception de molécules antagonistes du VEGFR1. Différents analogues hétérocycliques dérivant d’un composé de type (3-carboxy-2-ureido) thiophène ont été synthétisés. Des réactivités chimiques intéressantes ont été mises en évidence, mais l’activité biochimique de ces molécules ne s’est pas révélée concluante. Une seconde approche reposant sur la conception de peptides ciblant le VEGF a alors été initiée. A partir d’un peptide cyclique connu de 19 résidus ayant une affinité submicromolaire pour le VEGF, de nouveaux peptides et peptidomimétiques ont été développés.L’objectif a été de concevoir des composés de structures chimiques potentiellement plus simples et plus stables en milieu biologique, tout en optimisant l’affinité pour le VEGF. L’interaction de ces peptides avec le VEGF a été étudiée in vitro par ELISA et ITC, ainsi que par cristallographie pour le composé le plus affin. En parallèle, nous avons étudié l’effet du cuivre et d’autres métaux divalents sur l’interaction VEGF/VEGFR1. Au travers d’expériences réalisées au laboratoire ainsi qu’en collaboration, nous avons montré que certains métaux étaient capables non seulement d’inhiber l’interaction VEGF/VEGFR1 mais également d’induire une dimérisation non classique du domaine 2du récepteur. Sachant que les métaux, et en particulier le cuivre, sont connus pour jouer un rôle important dans l’angiogenèse, cette découverte apporte de nouveaux éléments de réponse sur leur mécanisme d’action. Ce travail de thèse s’inscrit donc non seulement dans une démarche de développement de nouveaux composés anti-angiogéniques mais également de compréhension du mécanisme de régulation de l’angiogenèse. / Inhibiting angiogenesis is an effective strategy of targeting therapy against cancer. In thiscontext, we develop an antiangiogenic strategy consisting in the design and evaluation of compoundsblocking the VEGF/VEGFR interaction. The first approach was the conception of antagonists of theVEGFR1. Starting from a (3-carboxy-2-ureido) thiophene hit, a variety of heterocyclic analogs wasdeveloped. Interesting chemical observations were made during the synthesis, but no optimization ofthe biochemical activity was achieved. The second approach was the design of peptides that bind tothe receptor-recognition surface of the VEGF. Starting from a cyclic peptide known to bind to theVEGF with a sub-micromolar affinity, new peptides and peptidomimetics were developed. Thestrategy was to design simplified and potentially more stable compounds, and to improve at thesame time the VEGF affinity. The interaction of VEGF with these ligands was studied in vitro by ELISAand ITC experiments, as well as X-ray diffraction for the best compound. Moreover, the investigationof the effects of copper and other divalent metals on the VEGF/VEGFR1 interaction was undertaken.Experiments realized in the laboratory and in collaboration showed that metals were able to displacethe VEGF/VEGFR1 interaction and to induce the dimerisation of the domain 2 of the receptor. Metalsare well known to play an important role in angiogenic phenomena, but their specific targets are stilla matter of debate. In this context, this discovery brings new response elements regarding theirmechanisms of action. Therefore, the objectives of this PhD thesis were the development of newantiangiogenic compounds, as well as the understanding of some aspects of the regulation of angiogenesis.

La plupart des bactéries vivent en communautés organisées, appelées biofilms, augmentant leur résistance aux traitements antibiotiques. Ainsi, la formation de biofilms sur les organes et matériels médicaux est considérée comme la cause de la majorité des infections bactériennes. Il est alors important de trouver des traitements pour empêcher ou perturber la formation de ces biofilms. Il a été proposé que les porines de P. Stuartii, Omp-Pst1 et Omp-Pst2, peuvent s’auto-assembler via un steric-zipper, étape responsable du développement initial du biofilm. Ainsi, notre objectif est de synthétiser des inhibiteurs d’interactions entre porines pour limiter ce contact intercellulaire. Nous avons développé des molécules peptidomimétiques basées sur la séquence LGNYR, active dans les deux porines. Pour cela, des réactions de chimie click sur phase solide ont été mises en oeuvre afin de synthétiser des analogues de cette séquence, comme la CuAAC pour introduire un motif triazole, dans une position variable au sein du peptide. Nous avons ainsi développé une méthode rapide et efficace afin de réaliser cette réaction par l’utilisation d’un catalyseur cuivre(I)-N-hétérocyclique carbène stable à l’air. Similairement, de nouvelles conditions ont aussi été mises au point en phase solide afin d’obtenir régiosélectivement des peptides comportant un motif isoxazole 3,4- ou 3,5-disubstitué, par la réaction entre un alcyne et un oxyde de nitrile. Ces cycloadditions 1,3-dipolaires nous ont ainsi permis d’obtenir une première librairie de peptidotriazoles et de peptidoisoxazoles. Il sera enfin possible d’étudier les biofilms grâce à la synthèse de sondes fluorescentes basées sur les inhibiteurs montrant de fortes affinités avec la cible, couplées à un fluorophore dérivé de coumarine. / In the environment, most of bacteria live as organized communities, known as biofilms, enhancing their resistance to antibiotic treatments. Thus the formation of biofilms on organ and indwelling medical devices is considered to cause the majority of bacterial infections in the human body. Thus, to enhance antibiotics efficacy, there is a high need to find treatments to prevent or disrupt biofilm formation. It has been proposed that P. stuartii porins, Omp-Pst1 and Omp-Pst2, can self-associate through a steric zipper, being responsible for the initial development of biofilms. Thus, our objective is to synthesize porin’s self-matching interactions (PSMI) inhibitors to counterfeit this intercellular contact. We developed peptidomimetic molecules based on the LGNYR sequence, that have shown to be active in both porins. Then we used click chemistry to synthesize on solid phase analogues of this sequence, as the solid phase Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) to introduce a triazole moiety into the peptide chain at different positions. We thus developed a fast and efficient method to perform this reaction using a stable copper(I)-N-heterocyclic carbene catalyst. Similarly, new conditions were developed on solid phase to synthesize regioselectively peptides containing a 3,4- or 3,5-disubstituted isoxazole moiety, through the reaction between an alkyne and a nitrile oxide. These 1,3-dipolar cycloadditions allowed us to developed a first library of peptidotriazoles and peptidoisoxazoles. We also obtained fluorescent probes based on the inhibitors showing higher affinity for the target as tools to study biofilm formation.

Le but de cette thèse a concerné le développement de deux types de structures oligomériques contraintes, basées soit sur des dérivés non naturels d’acides aminés cycliques, soit sur des dimères cycliques de Peptide Nucleic Acids (PNA), en vue d’analyser leur tendance à adopter des conformations pré-organisées, imitant les conformations actives des protéines ou des acides nucléiques. La première partie de cette thèse a trait à l’élaboration de synthons clefs dérivant d’acides α-aminés cycliques non naturels (acides 4-oxopipécoliques 6-substitués), à leur utilisation potentielle dans la synthèse de peptidomimétiques contraints, homogènes et hétérogènes, ainsi qu’à leurs limites dans cette utilisation. Dans le cadre de ce travail, une nouvelle voie de synthèse permettant d’accéder à des résidus N-protégés d'acides 4-oxo-pipécoliques 6substitués a été mise au point. La deuxième partie de cette thèse concerne l’élaboration de dimères d’α-PNA (di-α-PNA) cycliques, dans lesquels les chaînes latérales de deux monomères d’α-PNA consécutifs sont «agrafées» via un pont lactame. Une stratégie de synthèse a tout d'abord été développée en phase liquide, puis appliquée à la synthèse en phase solide de di-α-PNA «agrafés» modèles, incorporant des bases nucléiques thymine. / The purpose of this thesis concerned the development of two kinds of constrained oligomeric structures, based either on unnatural cyclic α-amino acids derivatives or on cyclic Peptide Nucleic Acid (PNA) dimers, in view of analyzing their propensity to adopt pre-organized conformations mimicking the active conformations of proteins or nucleic acids. The first part of this thesis reports on the elaboration of new cyclic αamino-acids (6-substituted 4-oxopipecolic acids) building blocks, their potential use in the synthesis of constrained homogenous and heterogeneous peptidomimetics as well as their limitations in this use. As part of this work, a new methodology has been developed for the synthesis of N-protected 6-substituted 4-oxo-pipecolic acids residues. The second part of this thesis reports on the elaboration of constrained α-PNA dimers (di-α-PNA), in which the side-chains of two consecutive α-PNA monomers are “stapled” via a lactam bridge. A synthetic orthogonal strategy has been first developed in liquid-phase then applied to the solid-phase synthesis of models “stapled” di-α PNA incorporating thymine nucleobases.

Les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) jouent un rôle primordial dans plusieurs processus cellulaires. La modulation de ces canaux par des molécules activatrices constituerait des applications pharmacologiques et médicinales très intéressantes. À cet effet nous avons conçu et synthétisé de nouvelles molécules hybrides cromakalim-diazoxide et diazoxide-amine/aminoacide. Nous avons également, évalué l’activité myorelaxante de ces composés sur l’aorte de rates. Les résultats obtenus ne montrent pas un effet myorelaxant significatif. Des études sur d’autres tissus, notamment les cellules β pancréatiques et le muscle utérin, sont envisagées afin d’explorer une éventuelle sélectivité tissulaire. Par ailleurs, les interactions protéine-protéine jouent un rôle fondamental dans presque tous les processus cellulaires. Elles sont fortement impliquées dans la formation de la structure dimérique de la protéase du VIH-1 et l’agrégation du peptide β amyloïde impliquée dans la maladie d’Alzheimer. L’inhibition de ces interactions serait donc d’un avantage thérapeutique pour le traitement du SIDA et de la maladie d’Alzheimer. Nous avons conçu et synthétisé d’une part, des pinces moléculaires à base de motifs carbonylhydrazides et oligohydrazides (Azatide), et d’autre part, des molécules pentapeptidiques avec un peudoaminoacide central alcoolfluoré. Enfin, nous avons testé la capacité des pinces moléculaires à perturber le feuillet β terminal de la PR du VIH-1 afin d'inhiber sa dimérisation et donc son activité. Nous avons réalisé de même une étude de relation structure-activité et d’après l’ensemble des résultats obtenus, il semblerait que la flexibilité est délétère pour l’activité inhibitrice. Nous avons également évalué la capacité des nouvelles molécules peptidomimétiques alcool fluorées à accélérer ou inhiber l’agrégation du peptide Aβ1-42 dans le but de diminuer la présence de petits oligomères neurotoxiques. Les résultats obtenus sont très prometteurs, nous avons réussi à développer d’une part un pentapeptide capable d’inhiber totalement l’agrégation de Aβ1-42, et d’autre part des pseudopentapeptides capables d’accélérer son agrégation. Nous avons aussi démontré l’influence de l’atome de fluor sur la structuration d’un pentapeptide. Des études par RMN et DC sont en cours. / ATP-sensitive potassium channels (KATP) play an important role in many cellular processes. The modulation of these channels by activating molecules may constitute very interesting pharmacological and medicinal applications. For this purpose, we have designed and synthesized new hybrid molecules cromakalim-diazoxide and diazoxide-amine/aminoacid. We also evaluated the relaxant activity of these compounds on aorta of rats. The obtained results do not show a significant relaxant effect. Studies on other tissues, including pancreatic  cells and uterine muscle, are envisaged to explore the potency of these compounds and their possible tissue selectivity.Otherwise, Protein-protein interactions play a fundamental role in almost all cellular processes. They are strongly involved in the formation of the dimeric structure of HIV-1 protease and β amyloid peptide aggregation involved in Alzheimer's disease. Inhibition of these interactions would be a therapeutic advantage for the treatment of AIDS and Alzheimer's disease. We designed and synthesized on one hand, molecular tongs based on carbonylhydrazide oligohydrazid (Azatide) fragments and in the other hand, pentapeptide molecules with a central fluorinated and hydroxylated aminoacid. Finally, we tested the ability of molecular tongs to disrupt the terminal β sheet of the HIV-1 PR to inhibit its dimerization and thus its activity. We have also conducted a structure-activity relationship study and According to the results it seems that flexibility is detrimental to the inhibitory activity. We evaluated as well the ability of new fluorinated and hydroxylated peptidomimetics to accelerate or inhibit the aggregation of Aβ1-42 peptide in order to reduce the presence of small toxic oligomers. The results are very promising that we succeeded in developing a pentapeptide able to completely inhibit the aggregation of Aβ1-42, and in the other hand pseudopentapeptides able to accelerate its aggregation. We also demonstrated the influence of fluorine on the structure of a pentapeptides. Studies by NMR and DC are in progress.

Die SPOT-Synthese an Zellulosemembranen wurde 1992 als eine hocheffiziente Methode zur parallelen Synthese von Peptiden beschrieben. Die wichtigste Anwendung der so synthetisierten Verbindungen ist das direkte Festphasen-Screening. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, das Anwendungsgebiet der SPOT-Methode von Peptiden auf verschiedene Peptidmimetika auszudehnen und durch Screening entsprechender Bibliotheken bioaktive Substanzen zu identifizieren. (1) Peptoid-Synthese an Zellulosemembranen Die Ähnlichkeit von Oligo-N-alkylglycinen (Peptoiden) zu Peptiden sowie die Vereinbarkeit ihrer Synthese mit den Bedingungen der SPOT-Technik ließen sie als besonders geeignete Kandidaten für eine Erweiterung der SPOT-Synthese von Peptiden auf Peptidmimetika erscheinen. Die Peptoide wurden nach der 1992 für die Synthese am Harz beschriebenen Sub-Monomer-Methode synthetisiert, bei der die N-Alkylglycin-Monomere zweistufig durch Bromacetylierung und nachfolgende Bromsubstitution durch ein primäres Amin aufgebaut werden. Die Kernaufgabe bei der Anpassung der Synthesebedingungen an Zellulosemembranen war dabei die Entwicklung einer N/O-selektiven Bromacetylierungsmethode, da die Anwesenheit freier Membran-Hydroxyfunktionalitäten ein Reagenz erfordert, welches eine N-Acylierung in Anwesenheit von O-Nukleophilen zuläßt. Durch Untersuchung mehrerer Aktivester der Bromessigsäure konnte gezeigt werden, daß der kristalline Bromessigsäure-2,4-dinitrophenylester im Hinblick auf Ausbeute und N/O-Selektivität optimale Eigenschaften besitzt. Im Anschluß an die Bromacetylierungsmittel wurden 46 primäre Amine auf ihre Anwendbarkeit bei der Synthese von Modell-Tripeptoiden untersucht. Aus den Ergebnissen konnten Gesetzmäßigkeiten abgeleitet werden, die eine Abschätzung der Verwendbarkeit von Aminen für die Peptoidsynthese im Hinblick auf Flüchtigkeit, sterischen Anspruch, Nukleophilie des Stickstoffatoms sowie vorhandene funktionelle Gruppen in Seitenketten ermöglichen. (2) Synthese und Screening von Peptoid-Bibliotheken Unter den optimierten Synthesebedingungen wurden zwei Bibliotheken mit jeweils 8000 Tri- bzw. Hexapeptoiden synthetisiert. Die Trimeren-Bibliothek beinhaltete dabei den gesamten Sequenzraum basierend auf 20 Bausteinen, während die Verbindungen der Hexameren-Bibliothek aus einem wesentlich größeren, auf 40 Bausteinen basierenden Sequenzraum statistisch ausgewählt wurden. Um zu überprüfen, ob sich die Bibliotheken zur "de novo" Auffindung von Protein-Liganden eignen, wurden sie auf Bindung zum monoklonalen Antikörper Tab-2 untersucht. Es konnten in beiden Fällen bioaktive Oligomere identifiziert werden (Trimere: KD >= 87 µM, Hexamere: KD >= 2.7 µM), die sich vom Peptid-Epitop des Antikörpers [VVSHFND] deutlich unterschieden. (3) Rückgratmodifizierte Peptoide Mit dem Ziel, Rückgratmodifikationen in Peptoide einzufügen, wurden neun Biselektrophile im Rahmen eines "chemischen Screenings" zur Synthese eines Modell-Trimers verwendet. Vier der Bausteine waren geeignet und ermöglichten damit die Einführung von beta-Peptoid-, m- und p-Aminomethylbenzoesäure- sowie Carbamat-Einheiten in Peptoide. Beim Versuch, in analoger Weise auch Harnstoffe zugänglich zu machen, wurde unter den Linker-Spaltungsbedingungen eine Cyclisierung zu Hydantoinen beobachtet. Diese interessante Reaktion wurde näher untersucht, um die SPOT-Methode auf die Synthese von Hydantoinen als heterocyclische Struktur zu erweitern. (4) Synthese von Hydantoinen an Zellulosemembranen Die Bildung von Hydantoinen in einer Cyclisierungsreaktion, bei der Ammoniak aus einem Amid freigesetzt wird, wurde an fester Phase noch nicht genutzt, während dieser Reaktionstyp in Lösung bereits intensiv untersucht wurde. Durch eine Optimierung der Cyclisierungsbedingungen ließ sich die zunächst unvollständige Reaktion zur Vollständigkeit bringen. Auch C-substituierte Hydantoine konnten durch Verwendung von alpha-Aminosäureamiden bzw. -tert.-butylestern enantiomerenrein zugänglich gemacht werden. / SPOT-synthesis on cellulose membranes was introduced as a highly efficient method for the parallel synthesis of peptides in 1992. The most important applications of libraries synthesized by SPOT-synthesis are solid phase binding assays. Within this work the extension of the SPOT-method to the synthesis of various peptidomimetics and the identification of bioactive substances by screening of corresponding libraries is described. (1) peptoid synthesis on cellulose membranes The similarity of oligo-N-alkylglycines (peptoids) and peptides as well as the compatibility of their synthesis with the conditions of the SPOT-technique made them ideally suited for the extension of the SPOT-synthesis from peptides to peptidomimetics. The peptoids were synthesized by the sub-monomer approach originally developed for the synthesis on standard resins in 1992. N-alkylglycine monomers are hereby synthesized in a stepwise manner by bromoacetylation and subsequent substitution of the bromine atom by a primary amine. The most critical point in the adaptation of the synthesis conditions was the development of an N/O-selective reagent for bromoacetylation due to the presence of free hydroxyl functionalities of the membrane support requiring a reagent suitable for N-acylation in the presence of O-nucleophiles. Several active esters of bromoacetic acid were synthesized and tested whereby crystalline 2,4-dinitrophenylbromoacetate gave the best results with respect to yield and N/O-selectivity. After optimization of bromoacetylation 46 primary amines were applied to the synthesis of model tripeptoids. Rules for the applicability of amines in peptoid synthesis with respect to volatility, sterical demand, nucleophilicity of the nitrogen atom and compatibility with sidechain functional groups were derived from the results. (2) synthesis and screening of peptoid libraries Two libraries consisting of 8000 tri- and hexapeptoids respectively were synthesized under optimized conditions. The library of trimers displayed the entire sequence space based on 20 building blocks, whereas the sequences of the hexamers were selected statistically from the sequence space based on 40 building blocks. In order to examine the suitability of the libraries for the "de novo" identification of protein ligands they were screened for binding to the monoclonal antibody Tab-2. Bioactive peptoids could be identified in both cases (trimers: KD >= 87 µM, hexamers: KD >= 2.7 µM) both differing significantly from the peptide epitope [VVSHFND]. (3) backbone modified peptoids In order to introduce backbone modifications into peptoids nine biselectrophiles were applied in the synthesis of model trimers in a chemical screening. Four of the building blocks were well suited allowing the incorporation of beta-peptoid, m- and p-aminomethylbenzoic acid and carbamate units into peptoids. When the introduction of urea-units in a similar approach was attempted hydantoins were formed during cleavage from the solid support. This interesting reaction was examined in detail in order to extend SPOT-synthesis to the synthesis of heterocycles. (4) synthesis of hydantoins on cellulose membranes The formation of hydantoins from terminal amides was not yet described in a solid phase synthesis, whereas it was examined intensively in solution. By optimizing the conditions of cyclization the reaction could be driven to completion. C-substituted hydantoins were obtained as single enantiomers, when alpha-amino acid-amides or -tert. butylesters were used in the synthesis.