Ce projet à caractère dual civil et militaire vise à développer de nouvelles contre-mesures médicales d’urgences hautement efficaces en cas d’intoxications accidentelles ou volontaires aux organophosphorés toxiques (gaz de combat et pesticides). Ces poisons agissent comme des inhibiteurs irréversibles de l’acétylcholinestérase, enzyme clé principalement localisé dans notre système nerveux, par phosphorylation du site actif enzymatique. Cependant, un nucléophile puissant capable de pénétrer jusqu’au site actif de la protéine peut également l’hydrolyser. Notre recherche réside sur l’élaboration de molécules hybrides possédant deux systèmes clés : une partie réactivatrice neutre capable de restaurer l’activité enzymatique et un ligand du site périphérique capable de vectoriser la structure hybride à l’entrée du site actif. Une librairie de nouveaux hybrides bifonctionnels a ainsi été synthétisée, évaluée et décrite dans ces travaux de thèse. L’ensemble de ces hybrides démontre une activité égale ou supérieure à celle des réactivateurs de référence. Nous avons même découvert le premier hybride universel surpassant l’activité de réactivation des antidotes actuellement commercialisés pour des intoxications aux gaz de combat et aux pesticides. / Remediation of both acute and chronic intoxications by organophosphorus nerve agents, both chemical warfare agents and pesticides, continues to be a challenge of paramount importance. These manmade poisons act as covalent and irreversible inhibitors of acetylcholinesterase, a key enzyme mostly located in the nervous system, through phosphylation of its active site. The phosphylated active site residues do not undergo spontaneous hydrolysis. However, hydrolysis can be achieved through the use of strong nucleophiles able to enter the buried active site of the protein. Our research is based on the rational design of hybrid structures containing two key elements: a neutral reactivator to restore the enzyme activity, and a peripheral site ligand giving selectivity by targeted binding to a site at the entrance of the enzyme active site gorge. A library of novel reactivators based on acridine, quinoline and original oxoassoanine analogues was synthesised, evaluated and is herein described. Delightfully, most of these hybrids proved to be equally or more potent than the drugs currently in use. Outstandingly, we have discovered the first broad-spectrum reactivator that outperformed all known reactivators for both chemical warfare agent and pesticide intoxications.

Les pesticides et toxiques de guerre organophosphorés sont responsables d'intoxications qui se révèlent préoccupantes pour les autorités sanitaires. La recherche de solutions thérapeutiques pour pallier le manque de moyens efficaces pour contrer ces intoxications apparaît comme essentielle. L'acétylcholinestérase (AChE), enzyme de régulation de l'influx nerveux, en est la cible principale.Au cours de cette thèse, nous avons, d'une part, mis en place une stratégie de conception de molécules capables de réactiver les cholinestérases dites vieillies. Dans ce but, plusieurs dizaines de molécules ont été conçues et synthétisées. Leur évaluation in silico par docking moléculaire et in vitro par mesure d'affinité pour l'enzyme et par étude cristallographique n'a pas permis d'obtenir la réalkylation espérée, mais ce travail nous a offert quelques nouvelles perspectives.D'autre part, nos travaux de cristallographie de l'inhibition de la butyrylcholinestérase humaine par les agents V et le sarin montrent que cette cholinestérase a une énantiosélectivité altérée pour ces inhibiteurs chiraux par rapport à l'AChE humaine. Ceci implique la nécessité de quantités d'enzyme plus importantes pour atteindre la capacité protectrice désirée et donc un surcoût non négligeable. L'AChE humaine serait finalement un bioépurateur de neurotoxiques organophosphorés économiquement plus viable. / Organophosphate pesticides and chemical warfare are responsible for poisoning that pose to health security issues. The research of therapeutic solutions to overcome the lack of effective means to counter these poisonings is essential. Acetylcholinesterase (AChE), the enzyme involved in the regulation of nerve impulses, is the main target. ln this thesis, we have, first, set up a strategy for designing molecules that can reactivate aged cholinesterases. To this purpose, severa! dozen molecules have been designed and synthesized. Evaluation in silico by molecular docking and in vitro by rneasuring affinity for the enzyme and crystallographic study did not observe the desired realkylation. But this work opened new perspectives.Secondly, our crystallographic work on the inhibition of human butyrylcholinesterase by V-agents and sarin shows that cholinesterase has altered enantioselectivity for these chiral inhibitors of human AChE. This implies that larger amounts of enzyme are required for the desired protection and thus, a significant additional cost. Human AChE seems finally a more suitable neurotoxic bioscavenger.

Les neurotoxiques organophosphorés (NOPs) sont des inhibiteurs irréversibles de l’acétylcholinestérase, une enzyme jouant un rôle clé dans la transmission de l’influx nerveux. Une intoxication par ces substances provoque de graves symptômes pouvant aboutir au décès des sujets empoisonnés. Bien qu’interdits par une convention internationale ratifiée par 190 pays, le contexte géopolitique actuel ravive la hantise d’une menace chimique contre des populations civiles, renouvelant l’intérêt de développer de nouveaux remèdes contre une intoxication aux NOP. A l’heure actuelle, les antidotes utilisés contre ces intoxications sont les mono- et bis- pyridinium aldoximes portant une ou deux charge(s) positive(s) permanente(s), qui présentent de nombreuses limitations, dont leur très faible capacité à traverser la barrière hémato-encéphalique et à réactiver efficacement les AChEs inhibées par les NOP dans le système nerveux central (SNC). Par ailleurs, leur efficacité est très dépendante de la nature du NOP utilisé, et il n’existe pas, aujourd’hui, de réactivateur universel. Dans ce contexte, le développement de nouveaux réactivateurs efficaces est un réel défi. Au cours de cette thèse, l’optimisation de la synthèse de cinq réactivateurs non chargés incorporant une amine cyclique en tant que ligand du site périphérique et la 3-hydroxypyridine aldoxime en tant que fonction réactivatrice a été développée pour évaluation in vivo. Dans cette continuité, vingt-et-un réactivateurs non chargés inédits comportant un ligand aminé du site périphérique de l’enzyme associée à la même fonction réactivatrice 3-hydroxypyridine aldoxime ont été conçus, synthétisés et testés sur l’AChE humaine inhibée par différents NOPs mais aussi sur les récepteurs nicotiniques. Certains d’entre eux ont été testés in vivo sur la souris. Parmi les réactivateurs synthétisés, certains possèdent des efficacités de réactivation identiques, voire meilleures que les oximes de référence utilisées de nos jours tout en ayant un effet antagoniste des récepteurs nicotiniques ouvrant ainsi la voie aux réactivateurs dits « Multi-cibles ». Avec comme objectif de traverser la barrière hémato-encéphalique en utilisant les transporteurs GLUTs présents sur les cellules endothéliales constituant cette barrière, quatre réactivateurs incorporant un motif carbohydrate ont été resynthétisés et évalués in vivo et in vitro. Enfin, de nouvelles fonctions réactivatrices constituées d’un motif thiadiazole-aldoxime et naphtaldoxime ont été étudiées ouvrant la voie à de nouvelles familles de réactivateurs et, pour la dernière fonction, remettant en cause le cahier des charges utilisé jusqu’alors pour la conception de nouveaux réactivateurs. / Organophosphorus nerve agents (OPNA) are irreversibly acetylcholinesterase (AChE) inhibitors, a key enzyme in the central nervos system playing a pivotal role in neurotransmission. OPNA poisoning induces to serious symptoms that can lead to death by respiratory failure. Despite an international convention prohibiting the use of chemical weapons, the current geopolitical context is reviving the fear of a chemical threat against civilian populations, and has renewed the interest of developing new remedies for OPNA poisoning. Nowadays, medical countermeasure used against OPNA intoxications are based on mono- and bis-pyridinium aldoximes carrying one or two permanent positive charge(s), which present many limitations, including their very low capacity to cross the blood-brain barrier and to reactivate effectively ChEs nhibited by NOPs in the central nervous system (CNS). Moreover, their effectiveness is highly dependent on the nature of the NOP used, therefore, there is no universal reactivator. In this context, the development of new effective reactivators is a real challenge. In this PhD, an optimized synthetic access to five uncharged reactivators incorporating a cyclic amine as peripheral site ligand and 3-hydroxypyridine aldoxime as reactivating function was developed for in vivo evaluation. Following up on this, twenty-one new uncharged reactivators bearing unprecedented cyclic amines as peripheral site ligand associated with our reactivating function were designed, synthetized and evaluated for reactivation on human AChE inhibited by several NOPs but also in vivo on mice and as antagonists on nicotinic receptors in vitro. Among these reactivators, some have identical or better reactivation efficiencies than the reference oximes used today while having a nicotinic receptor antagonist effect ; thus, paving the way for « Multi-target » reactivators. Aiming at an active BBB crossing using the GLUTs receptors, four reactivators including a carbohydrate moiety have been resynthetized and biologically evaluated. Last but not least, new reactivator functions consisting of a thiadazole-aldoxime and naphtaldoxime moieties have been studied, paving the way to new families of uncharged reactivators and, especially for the last function, calling into question design specifications of new reactivators.

Les pesticides et toxiques de guerre organophosphorés sont responsables d'intoxications qui se révèlent préoccupantes pour les autorités sanitaires. La recherche de solutions thérapeutiques pour pallier le manque de moyens efficaces pour contrer ces intoxications apparaît comme essentielle. L'acétylcholinestérase (AChE), enzyme de régulation de l'influx nerveux, en est la cible principale.Au cours de cette thèse, nous avons, d'une part, mis en place une stratégie de conception de molécules capables de réactiver les cholinestérases dites vieillies. Dans ce but, plusieurs dizaines de molécules ont été conçues et synthétisées. Leur évaluation in silico par docking moléculaire et in vitro par mesure d'affinité pour l'enzyme et par étude cristallographique n'a pas permis d'obtenir la réalkylation espérée, mais ce travail nous a offert quelques nouvelles perspectives.D'autre part, nos travaux de cristallographie de l'inhibition de la butyrylcholinestérase humaine par les agents V et le sarin montrent que cette cholinestérase a une énantiosélectivité altérée pour ces inhibiteurs chiraux par rapport à l'AChE humaine. Ceci implique la nécessité de quantités d'enzyme plus importantes pour atteindre la capacité protectrice désirée et donc un surcoût non négligeable. L'AChE humaine serait finalement un bioépurateur de neurotoxiques organophosphorés économiquement plus viable.