Les traitements actuels contre le virus de l’hépatite B (VHB) combinent un ou plusieurs analogues de nucléos(t)ides qui inhibent directement la réplication virale en bloquant l’étape de transcription inverse. Ces traitements très efficaces sont pourtant confrontés à l’émergence de virus résistants à ces traitements. Ces résistances sont la conséquence de l’émergence et la sélection de mutants parfois complexes présentant des mutations à la fois dans le gène de la polymérase (pol) et de l’enveloppe virale. Les objectifs principaux de ce doctorat ont été d’étudier la sensibilité des variants résistants du VHB vis-à-vis d’analogues de nucléos(t)ides et de nouveaux composés nonnucléos(t)idiques agissant contre la nucléocapside, mais également de comparer les performances virales de différents mutants afin de comprendre le processus de sélection des mutants qui s’opère chez le patient sous pression thérapeutique. Ces études ont caractérisé la sensibilité de certaines mutations de résistance aux analogues de nucléos(t)ides, de souligner l’importance des modifications de l’enveloppe dues aux mutations de résistance dans le processus d’émergence et de sélection des variants dans la quasi-espèce virale et d’identifier de nouvelles molécules antivirales efficaces permettant, en combinaison avec les analogues de nucléos(t)ide, de diminuer fortement les phénomènes de résistance du VHB. Mieux comprendre les phénomènes de résistance, les procédés d’émergence, de sélection et de transmission des mutants du VHB pour élaborer les meilleures stratégies cliniques de combinaisons thérapeutiques peut réduire considérablement le nombre de personnes touchées par ce virus / Current therapies against the hepatitis B virus (HBV) combine one or more nucleoside analogues that directly inhibit viral replication by blocking reverse transcription step. These treatments are very effective, however, faced with the emergence of viruses resistant to these treatments. These resistances are the result of the emergence and selection of mutants with mutations can be complex in both the polymerase gene (pol) and the viral envelope. The main objectives of this PhD was to study the sensitivity of resistant HBV variants vis-à-vis similar nucleos(t)ides and new compounds non-nucleos(t)idic acting against the nucleocapsid, but also compare the performance of different viral mutants to understand the process of selection of mutants that occurs in patients under therapeutic pressure. These studies have characterized the sensitivity of some resistance mutations to nucleoside analogues, to highlight the importance of the envelope changes due to resistance mutations in the process of emergence and selection of variants in the quasispecies virus and to identify new effective antiviral drugs may allow, in combination with nucleoside analogues, to greatly reduce the phenomenon of HBV resistance. Better understanding the phenomenon of resistance, the processes of emergence, selection and transmission of HBV mutants to develop the best clinical strategies of combination therapy can significantly reduce the number of people affected by this virus

Les chiffres des statistiques du cancer colorectal en France et dans le mondemontrent la nécessité de développement de plateformes technologiques plus rapides,sensibles et spécifiques pour assurer le diagnostic du cancer. Un diagnostic rapide va ainsiaider à améliorer l’état de santé et réduire le temps d’attente des résultats qui peut être ungrand facteur de stress pour les patients. L’analyse des biomarqueurs dans le sang, lesurines et autres fluides corporels est l’une des méthodes appliquées pour la détectionprécoce de la maladie. Dans le cadre de ce projet des nucléosides urinaires ont été identifiéscomme biomarqueurs pour le cancer colorectal. Financée par l’Agence Nationale de laRecherche (ANR), à travers le projet CancerSensor (programme TECSAN), cette thèse s’estdéroulée au sein de l’équipe MDA (Microsystèmes de Détection Acoustique) du laboratoireIMS. Dans le cadre de ce projet, nous avons proposé une solution technologique dedétection et de suivi de biomarqueurs du cancer colorectal. Notre choix de la stratégie dedétection s’est porté sur les polymères à empreintes moléculaires comme élément dereconnaissance des biomarqueurs. Celui-ci sera associé à un transducteur acoustique àondes de Love mis au point lors de travaux précédents au sein de l’équipe MDA. Lebiocapteur ainsi développé va cibler les nucléosides mis en évidence pour le cancercolorectal. / Colorectal cancer statistics in France and all over the world demonstrate theneed for fast, sensitive and specific technological platforms development for cancerdiagnosis. A rapid diagnosis will improve the patients’ health status and reduce the resultswaiting time which could be a great stress factor. Biomarkers analysis in blood, urine andother body fluids is recognized as one of the applied methods for early cancer detection. Inframe of this project, urinary nucleosides have been identified as colorectal cancerbiomarkers. Funded by the National Research Agency (ANR), through the cancer sensorproject (TECSAN program), this thesis was carried out in IMS laboratory. Hence, a colorectalcancer biomarkers detection and monitoring technological solution has been proposed. Inour detection strategy, Molecularly Imprinted Polymers (MIP) has been identified asbiomarker recognition element. The MIP layer has been associated to Love Wave acoustictransducer. This biosensor will sense the identified colorectal cancer nucleosides.

Ce travail de thèse, axé sur la thématique des analogues de nucléosides, s'est déroulé en trois parties. La synthèse énantiosélective de carbanucléosides cyclobutaniques, en vue de leur incorporation dans des enchaînements oligonucléotidiques, a tout d'abord été effectuée. La préparation de nouveaux dérivés nucléosidiques cyclohexéniques a ensuite été réalisée. Enfin, l'approche vers la synthèse de composés galactosyl-pyrrolo-pyridinones a été étudiée. Dans le premier chapitre, nous avons mis en évidence la place importante qu'occupent les nucléosides, les nucléotides et les acides nucléiques (ADN et ARN) dans les processus physiologiques. Par ailleurs, les différentes modifications structurales ayant abouti au développement de nouveaux analogues nucléosidiques ont été décrites. L'intérêt des oligonucléotides en thérapie génique a ensuite été souligné avant d'exposer les méthodes de synthèse et les différentes modifications structurales ayant porté sur ces composés. Dans le deuxième chapitre, la synthèse énantiosélective de nouveaux analogues de nucléosides cyclobutaniques, selon une stratégie initialement développée dans notre équipe, a été accomplie. Ces dérivés, après conversion en nucléotides, ont permis la préparation de nouveaux enchaînements oligonucléotidiques originaux. La synthèse de nouveaux analogues de nucléosides cyclohexéniques a été décrite dans le troisième chapitre. Une stratégie impliquant entre autres, une cycloaddition [4+2] asymétrique et l'élaboration des bases hétérocycliques, nous a permis d'accéder aux analogues cyclohexéniques, dont la structure préfigure l'accès à de nouveaux analogues cyclohexaniques contraints. Le dernier chapitre, dans le prolongement de nos travaux sur les analogues de nucléosides, expose l'approche vers la synthèse de composés galactosyl-pyrrolo-pyridinones. Les composés clés de la synthèse, à savoir les alpha-C-acétylènes glycosyl, ont pu être préparés. Ceux-ci devraient nous permettre par la suite d'accéder à des pyrrolo-pyridinones diversement substitués via une cycloaddition [4+2] à demande inverse, une régression de cycle et une lactamisation intramoléculaire.

Le virus de l'hépatite C est un problème de santé publique majeur, puisque 180 millions de personnes sont chroniquement infectées dans le monde, et sont susceptibles de présenter une cirrhose ou un cancer du foie. Un seul traitement a été approuvé, à base de Ribavirine et d'interféron alpha, mais il permet de traiter moins de 50 % des personnes infectées, et présente de nombreux effets secondaires. Devant ce constat, il parait urgent d'aboutir à une polythérapie plus adaptée. En dépit du succès des nucléosides en chimie antivirale, visant plusieurs enzymes clefs intervenant dans la réplication virale, peu d'entre eux ont été conçus pour viser l'ARN polymérase ARN dépendante nécessaire au VHC. Dans cette optique, de nouveaux dérivés carbocycliques de la Ribavirine, et des dérivés nucléosidiques du type 5-haloéthynyl- ou 5-(1,2-dihalo)vinyluracile, ont été synthétisés en utilisant deux méthodes : la réaction de Sonogashira et la cyclisation 1,3-dipolaire. Ce sont des outils puissants de la chimie organique qui permettent l'accès à de nouvelles structures nucléosidiques et la réalisation de modifications chimiques ultérieures. Les nouveaux composés ainsi préparés ont été testés pour leur activité antivirale.

Dans le premier chapitre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux virus de l'immunodéficience humaine et des hépatites B et C ainsi qu'aux thérapies utilisées dans le traitement de ces affections. Nous avons introduit l'importance des nucléosides fluorés, et nous avons donné quelques exemples de nucléosides fluorés utilisés en chimiothérapie antivirale et antitumorale. Dans le second chapitre, nous avons présenté une synthèse rapide de 2',3'-didésoxy-3'-fluoro-beta-D-thréo-nucléosides portant les bases pyrimidiques naturelles et substituées en position N3 par un groupement nitro ou amino. Les composés obtenus ont été évaluées contre divers virus à ADN et ARN (y compris le VIH) dans des expériences de culture cellulaire. Dans le troisième chapitre, nous nous somme intéressés à la synthèse de différents 2',3'-didésoxy-2'-fluoro-3'-(N-hydroxyimino), (N-methoxyimino) and (hydroxyl-amino) nucléosides en série pyrimidine. Les composés obtenus ont été évaluées contre divers virus à ADN et ARN dans des expériences de culture cellulaire. / In the first chapter, we presented the human immunodeficiency virus (HIV), hepatitis B virus (HBV), and hepatitis C virus (HCV), as well as the therapies used to treat these diseases. In a second part, we discussed about the importance of the incorporation of fluorine atom into nucleoside analogues, and in a third part of this chapter, we presented the recent literature sources of the synthesis and biological activity of fluorinated nucleosides. In the second chapter, we designed and synthesized a series of 2',3'-dideoxy-3'-fluoro-threo-pyrimidine nucleosides by direct and rapid methodology and evaluated them for their inhibitory effects on a number of RNA and DNA viruses in cell culture experiments. None of these nucleoside derivatives showed any antiretroviral activity nor cytotoxicity. In the third chapter of this manuscript, we synthesized a new series of 2',3'-dideoxy-2'-fluoro-3'-(N-hydroxyimino),(N-methoxyimino) and (hydroxylamino)pyrim idine nucleosides and also evaluated for their inhibitory effects on a number of RNA and DNA viruses, without finding any activity or cytotoxicity.

De par leur grande diversité chimique et leur implication dans de nombreux mécanismes biologiques, les molécules phosphorées font l'objet de nombreuses recherches scientifiques. Depuis près de 30 ans, plusieurs composés phosphorés ont été développés et utilisés pour leurs propriétés médicinales ou phytosanitaires. Les dérivés de type phosphinates ou phosphonates se sont révélés être des composés de choix, grâce à leur grande stabilité chimique et enzymatique. Par ailleurs, les sucres et leurs analogues ont largement démontré leur potentiel biologique en raison de leur implication dans de nombreux processus biologiques. Dans ce contexte, il a été envisagé de développer des analogues de sucres phosphorés possédant un atome de phosphore endocyclique. Il s'agit de structures totalement inédites obtenues à partir de précurseurs phosphorés simples et par des réactions de type : P-alkylation, Pudovik, ouverture d'époxyde, cyclisation par transacétalisation ou transestérification. Grâce à des synthèses en 4 à 7 étapes, deux familles de phosphinosucres ont été préparées ainsi qu'une famille de phosphonosucres en tant qu'analogues de sucre. En parallèle, la synthèse d'analogues de nucléosides phosphorés a également été étudiée par introduction de nucléobases sur les analogues de sucres phosphorés précédemment cités. Ces travaux ont mis en jeu des réactions issues à la fois de la chimie de nucléosides mais également de la chimie du phosphore, permettant d'accéder à des analogues de nucléosides totalement inédits dont l'activité antivirale a pu être évaluée. Enfin, une nouvelle famille de phosphonates nucléosidiques acycliques a été synthétisée en 6 ou 7 étapes en série pyrimidique. Deux prodrogues dérivées de la cytosine et de l'uracile ont également été préparées avec des groupements enzymolabiles de type Bis-(S-acyl-2-thioéthyle). L'ensemble des analogues de nucléotides synthétisés ont été évalués pour leurs propriétés antivirales contre les virus de l'hépatite C et du SIDA. Ainsi, à travers ce projet, trois grandes familles de nouvelles molécules phosphorées ont été développées : les hétérocycles phosphorés oxygénés en tant qu'analogues de sucres, des analogues de nucléosides phosphorés, une nouvelle classe de phosphonates nucléosidiques acycliques. / According to their wide chemical diversity and their implication in many biological processes, phosphorus compounds are intensively studied by organic chemists. Since 30 years, many phosphorus molecules have been developed and used for their biological properties in medicine or agrochemistry. Chemically and enzymatically stable compounds, phosphonates and phosphoninates are potential derivatives for drug design. Besides, sugars are an important biological family involved in numerous biological pathways which have widely revealed a high therapeutic potential. In this context, the first objective of these works was to develop sugar analogues with an endocyclic phosphorus atom (phosphasugars) to synthesize unpublished families of phosphinosugars and phosphonosugars. Their synthesis were carried out in 4 to 7 steps, using as key reactions : P-alkylation, Pudovik, epoxyde ring-opening reaction, cyclisation by transacetalisation or transesterification. Moreover, these phosphasugars were extended to the synthesis of new nucleoside analogues by introducing nucleobase on phosphasugar moiety. The antiviral activity of these new compounds was evaluated. Finally, a new class of acyclic nucleoside phosphonates was prepared in pyrimidinyl series. Different nucleotide analogues and prodrugs were synthesized in 6-7 steps with uracil, thymine and cytosine and evaluated against HCV and HIV.

Les analogues de nucléosides ont joué, et continuent de jouer, un rôle crucial dans le traitement des maladies virales et cancéreuses. Les travaux de recherche ont permis d’élargir les connaissances sur le mécanisme d’action des analogues de nucléosides. Cependant, certaines zones d’ombre demeurent. Le développement de nouveaux analogues de nucléosides est essentiel à la compréhension de leur mécanisme en vue de synthétiser des analogues beaucoup plus efficaces, moins toxiques, possédant une meilleure biodisponibilité et stabilité métabolique au sein de l’organisme humain. Le laboratoire du Pr Yvan Guindon a développé et breveté plusieurs familles d’analogues de nucléosides à centre quaternaire carboné stéréogénique pour leur utilisation en tant qu’agent antiviral, chimiothérapeutique ou bien dans le contexte de traitement de l’insuffisance cardiaque. Le sujet de ce mémoire présente l’étude de la synthèse d’analogues de nucléosides portant un centre quaternaire C3’ et un groupement hydroxyle en C2’. Pour ce faire, une stratégie de synthèse acyclique est employée afin de contrôler les différents stéréocentres. La réaction énantiosélective de Mukaiyama et la réaction diastéréosélective de transfert d’atomes par catalyse photo-rédox sont des étapes clés de cette voie de synthèse. L’introduction diastéréoselective de la nucléobase sur un précurseur acyclique suivit de la cyclisation intramoléculaire S1’→C4’ permet la formation de l’analogue de nucléoside L-1’,2’-cis-4’-thio. Le développement d’une nouvelle stratégie de synthèse du L-1’,2’-cis-4’-thio est étudié. La réaction radicalaire diastéréosélective de transfert d’atomes développée au laboratoire passe par un intermédiaire oxasilolane bromé qui est peu stable. L’objectif est d’exploiter sa stéréochimie tout en formant le centre quaternaire afin d’obtenir une voie de synthèse beaucoup plus courte et efficace. / Nucleoside analogues have an important role in the treatment of viral and carcinogenic diseases. Although the research has greatly expanded the knowledge of nucleoside analogue synthesis and their mechanisms of action, the development of new analogues remains essential to discovering more effective and less toxic analogues with improved bioavailability and metabolic stability. The laboratory of Professor Yvan Guindon has developed and patented several novel families of nucleoside analogues bearing a stereogenic all-carbon quaternary center for their use as antivirals, chemotherapeutic compounds or in the context of heart failure. The subject of the dissertation is the synthesis of such nucleoside analogues bearing a quaternary center at the C3’ position and a C2’ hydroxyl group. The key steps in the synthetic pathway involve an enantioselective Mukaiyama reaction followed by a diastereoselective group transfer using photoredox catalysis and blue light to generate the stereogenic quaternary center. Diastereoselective introduction of the nucleobase onto an acyclic precursor followed by a subsequent intramolecular S1’-to-C4’ SN2-like cyclization allows for the formation of novel L-1’,2’-cis-4’-thionucleoside analogues. Alternatively, modifications of the key diastereoselective radical atom transfer reaction, typically involving a brominated methylester, have been investigated. Formation and subsequent transformation of a thiolated oxasilolane intermediate will reduce the number of steps to synthesize these novel L-1’,2’-cis-4’-thionucleoside analogues.

Plusieurs analogues de nucléosides thérapeutiques (Ara-C, Clofarabine), utilisés pour le traitement de leucémies, présentent un arrangement 1’,2’-cis entre la nucléobase reliée au centre anomère et le substituant (électroattracteur) en C-2’. Récemment, notre laboratoire a développé une approche synthétique pour former sélectivement des analogues de nucléosides et de thionucléosides 1’,2’-trans et 1’,2’-cis à partir de précurseurs acycliques. Ce mémoire présente une nouvelle méthodologie pour accéder efficacement aux analogues de nucléosides 1’,2’-cis à partir de furanosides. Différents groupements en position anomérique ont été examinés, sous conditions cinétiques en utilisant le bromure de diméthylbore pour générer sélectivement des produits acycliques ou cycliques. Les intermédiaires cinétiques de différents furanosides de méthyle formés en présence de Me2BBr ont été piégés in situ par un thiol pour générer des thioacétals acycliques avec de bonnes voire d’excellentes diastéréosélectivités. Les produits générés sont en accord avec une rétention globale de l’information stéréochimique du centre acétal et deux déplacements SN2 consécutifs ont été suggérés pour rationaliser ces résultats. Toutefois, l’objectif de synthétiser des analogues de nucléosides à partir de furanosides de méthyle a échoué. Tel que démontré par le Dr Michel Prévost, l’activation par Me2BBr des lactols des quatres différents furanosides suivie d’une addition in situ d’une base silylée a permis de former diastéréosélectivement les analogues de nucléosides 1’,2’-cis correspondants avec d’excellents rendements. Nous avons démontré que d’autres substrats peuvent être employés et que l’induction stéréochimique est sous contrôle du substituant électroattracteur en C-2. D’autres acides de Lewis, tel que TMSBr, peuvent également être utilisés. Cette méthodologie a également été étendue à d’autres nucléophiles tels que des Grignards ou des éthers d’énols silylés, conduisant à de bonnes sélectivités. / Many therapeutically relevant nucleoside analogs (Ara-C, Clofarabine) for the treatment of leukemia have a 1’,2’-cis arrangement between the nucleobase attached at the anomeric center and the non-hydrogen substituent at C-2’. Recently, our laboratory has developed a versatile approach to the synthesis of 1’,2’-trans and 1’,2’-cis nucleoside and thionucleoside analogues from acyclic scaffolds. This work will present a new methodology to access efficiently 1’,2’-cis nucleoside analogues from cyclic furanoside. Activation of various anomeric groups by Me2BBr was investigated, and under kinetic control acyclic substrates or cyclic ones could be generated selectively. Trapping the kinetic product of methyl furanoside formed in presence of Me2BBr by thiol in the presence of base led to the formation of acyclic thioacetal in good to excellent diastereoselectivity. The results obtained are in accordance with total retention of the stereochemical information of the acetal moiety and thus suggested that the mechanism of these two reactions is two successive SN2 displacements. The objective of synthesizing nucleoside analogs from methyl furanoside was unsuccessful. As shown recently by Dr Michel Prévost, activation of all four furanoside lactol scaffolds by Me2BBr with an in situ addition of silylated nucleobase afforded 1’,2’-cis pyrimidine nucleoside analogues in very good yields and with diastereoselectivities greater or equal to 20:1. Expending this methodology to other scaffolds provided evidence of stereoelectronic control of the C-2 electron-withdrawing substituent. Other Lewis acids such as TMSBr can be used. This methodology was also applied to other nucleophiles such as allyl Grignard and silylated enols ethers, which were successfully alkylated in good yield and 1,2-cis diastereoselectivity.

Plusieurs analogues de nucléosides thérapeutiques (Ara-C, Clofarabine), utilisés pour le traitement de leucémies, présentent un arrangement 1’,2’-cis entre la nucléobase reliée au centre anomère et le substituant (électroattracteur) en C-2’. Récemment, notre laboratoire a développé une approche synthétique pour former sélectivement des analogues de nucléosides et de thionucléosides 1’,2’-trans et 1’,2’-cis à partir de précurseurs acycliques. Ce mémoire présente une nouvelle méthodologie pour accéder efficacement aux analogues de nucléosides 1’,2’-cis à partir de furanosides. Différents groupements en position anomérique ont été examinés, sous conditions cinétiques en utilisant le bromure de diméthylbore pour générer sélectivement des produits acycliques ou cycliques. Les intermédiaires cinétiques de différents furanosides de méthyle formés en présence de Me2BBr ont été piégés in situ par un thiol pour générer des thioacétals acycliques avec de bonnes voire d’excellentes diastéréosélectivités. Les produits générés sont en accord avec une rétention globale de l’information stéréochimique du centre acétal et deux déplacements SN2 consécutifs ont été suggérés pour rationaliser ces résultats. Toutefois, l’objectif de synthétiser des analogues de nucléosides à partir de furanosides de méthyle a échoué. Tel que démontré par le Dr Michel Prévost, l’activation par Me2BBr des lactols des quatres différents furanosides suivie d’une addition in situ d’une base silylée a permis de former diastéréosélectivement les analogues de nucléosides 1’,2’-cis correspondants avec d’excellents rendements. Nous avons démontré que d’autres substrats peuvent être employés et que l’induction stéréochimique est sous contrôle du substituant électroattracteur en C-2. D’autres acides de Lewis, tel que TMSBr, peuvent également être utilisés. Cette méthodologie a également été étendue à d’autres nucléophiles tels que des Grignards ou des éthers d’énols silylés, conduisant à de bonnes sélectivités. / Many therapeutically relevant nucleoside analogs (Ara-C, Clofarabine) for the treatment of leukemia have a 1’,2’-cis arrangement between the nucleobase attached at the anomeric center and the non-hydrogen substituent at C-2’. Recently, our laboratory has developed a versatile approach to the synthesis of 1’,2’-trans and 1’,2’-cis nucleoside and thionucleoside analogues from acyclic scaffolds. This work will present a new methodology to access efficiently 1’,2’-cis nucleoside analogues from cyclic furanoside. Activation of various anomeric groups by Me2BBr was investigated, and under kinetic control acyclic substrates or cyclic ones could be generated selectively. Trapping the kinetic product of methyl furanoside formed in presence of Me2BBr by thiol in the presence of base led to the formation of acyclic thioacetal in good to excellent diastereoselectivity. The results obtained are in accordance with total retention of the stereochemical information of the acetal moiety and thus suggested that the mechanism of these two reactions is two successive SN2 displacements. The objective of synthesizing nucleoside analogs from methyl furanoside was unsuccessful. As shown recently by Dr Michel Prévost, activation of all four furanoside lactol scaffolds by Me2BBr with an in situ addition of silylated nucleobase afforded 1’,2’-cis pyrimidine nucleoside analogues in very good yields and with diastereoselectivities greater or equal to 20:1. Expending this methodology to other scaffolds provided evidence of stereoelectronic control of the C-2 electron-withdrawing substituent. Other Lewis acids such as TMSBr can be used. This methodology was also applied to other nucleophiles such as allyl Grignard and silylated enols ethers, which were successfully alkylated in good yield and 1,2-cis diastereoselectivity.

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