Enzymes, contraste et théranostic

Axe dirigé par Philippe Mellet

  • Agents de contraste et de théranostique sensibles aux activités enzymatiques / Enzyme activity-triggered contrast and theranostics agents.

L’IRM anatomique est devenue incontournable par la précision de ses images et son innocuité. Cependant un besoin d’imagerie moléculaire produisant de nouveaux types de contraste apparaît car dans de nombreuses pathologies les changements biochimiques se manifestent très longtemps avant les modifications anatomiques détectables.

Les activités enzymatiques sont des marqueurs très précoces de nombreuses pathologies. Parmi ces enzymes les protéases sont particulièrement intéressantes. En effet dans les tissus sains l’activité protéolytique est très strictement régulée dans l’espace et le temps et donc presque indétectable. Par contre dans certaines pathologies une activité forte, localisée et surtout persistante s’installe. Parmi ces pathologies nous nous intéresserons à l’inflammation, aux tumeurs solides et à la pancréatite aigüe ou chronique.

Volet diagnostique : Nous continuerons à développer et améliorer des agents de contraste pour les protéases présentes dans les pathologies citées ci-dessus en liaison étroite avec les projets de polarisation dynamique (PDN) à champ faible et ultra faible (axe « Innovations en IRM à champ faible »). Nous modifierons les nitroxydes à déplacement de raie précédemment développés dans le cadre des ANR NITROMRI et PULMOZYMAGE. En particulier l’adaptation de ces substrats pour révéler l’activité des metallo-protéases sera un nouveau défi. De plus nous travaillerons sur la persistance et la biodistribution de ces agents de contraste dans les différents compartiments cibles : poumons, pancréas, tumeurs et cerveaux.

Différents principes physiques sont utilisés pour provoquer un contraste en IRM rehaussée par polarisation  dynamique :

1.Rivot, A., N. Jugniot, S. Jacoutot, N. Vanthuyne, P. Massot, P. Mellet, S.R.A. Marque, G. Audran, et al. 2021. Magnetic Resonance Imaging of Protease-Mediated Lung Tissue Inflammation and Injury. ACS omega 6:15012-15016.

2.Parzy, E., D. Boudries, S. Jacoutot, M. Albalat, N. Vanthuyne, J.M. Franconi, P. Mellet, E. Thiaudiere, et al. 2021. Enzymatic activity monitoring through dynamic nuclear polarization in Earth magnetic field. Journal of magnetic resonance 333:107095.

3.Jugniot, N., P. Voisin, A. Bentaher, and P. Mellet. 2019. Neutrophil Elastase Activity Imaging: Recent Approaches in the Design and Applications of Activity-Based Probes and Substrate-Based Probes. Contrast media & molecular imaging 2019:7417192.

4.Audran, G., S. Jacoutot, N. Jugniot, S.R.A. Marque, and P. Mellet. 2019. Shifting-Nitroxides to Investigate Enzymatic Hydrolysis of Fatty Acids by Lipases Using Electron Paramagnetic Resonance in Turbid Media. Analytical chemistry 91:5504-5507.

5.Jugniot, N., I. Duttagupta, A. Rivot, P. Massot, C. Cardiet, A. Pizzoccaro, M. Jean, N. Vanthuyne, et al. 2018. An elastase activity reporter for Electronic Paramagnetic Resonance (EPR) and Overhauser-enhanced Magnetic Resonance Imaging (OMRI) as a line-shifting nitroxide. Free radical biology & medicine 126:101-112.

6.Duttagupta, I., N. Jugniot, G. Audran, J.M. Franconi, S.R.A. Marque, P. Massot, P. Mellet, E. Parzy, et al. 2018. Selective On/Off-Nitroxides as Radical Probes to Investigate Non-radical Enzymatic Activity by Electron Paramagnetic Resonance. Chemistry 24:7615-7619.

7.Audran, G., L. Bosco, P. Bremond, J.M. Franconi, N. Koonjoo, S.R. Marque, P. Massot, P. Mellet, et al. 2015. Enzymatically Shifting Nitroxides for EPR spectroscopy and Overhauser-Enhanced Magnetic Resonance Imaging. Angewandte Chemie.

8.Koonjoo, N., E. Parzy, P. Massot, M. Lepetit-Coiffe, S.R.A. Marque, J.-M. Franconi, E. Thiaudiere, and P. Mellet. 2014. In vivo Overhauser-enhanced MRI of proteolytic activity. Contrast media & molecular imaging 9:363-371.

9.Parzy, E., V. Bouchaud, P. Massot, P. Voisin, N. Koonjoo, D. Moncelet, J.-M. Franconi, E. Thiaudiere, and P. Mellet. 2013. Overhauser-Enhanced MRI of Elastase Activity from In Vitro Human Neutrophil Degranulation. Plos One 8.

10.Massot, P., E. Parzy, L. Pourtau, P. Mellet, G. Madelin, S. Marque, J.-M. Franconi, and E. Thiaudiere. 2012. In vivo high-resolution 3D Overhauser-enhanced MRI in mice at 0.2?T. Contrast media & molecular imaging 7:45-50.

11.Mellet, P., P. Massot, G. Madelin, S.R.A. Marque, E. Harte, J.-M. Franconi, and E. Thiaudiere. 2009. New Concepts in Molecular Imaging: Non-Invasive MRI Spotting of Proteolysis Using an Overhauser Effect Switch. Plos One 4.

Volet théranostique : Il existe un besoin pressant de trouver des chimiothérapies pour le cancer qui ne soient pas toxiques pour les cellules en division (et en conséquence pour le système immunitaire et la lignée hématopoïétique dans son ensemble) et qui ne suscitent pas de sélection et donc des résistances aux traitements. Cette recherche s’appuie sur la propriété rare des alkoxyamines de se scinder spontanément en deux radicaux libre, l’un étant un nitroxyde stable qui peut être vu en PDN l’autre étant un radical alkyl instable et, comme nous l’avons montré, cytotoxique. L’ajout d’un peptide substrat d’une enzyme cible permets de stabiliser la molécule en pro-drogue activable par une protéase. Les problèmes physico-chimiques et enzymologiques complexes afin d’obtenir une pro-drogue infiniment stable, activable par les protéases et qui s’homolyse rapidement après activation ont été résolu dans le quinquennat précédent. L’attaque radicalaire des cellules étant aléatoire par nature les résistances ont peu de chance d’apparaître. Le ciblage se faisant par la présence de l’activité protéolytique présente dans le microenvironnement des tumeurs les effets secondaires des antimitotiques ne doivent pas se produire. Nous ciblerons dans un premier temps les protéases à serine des tumeurs (urokinase, PSA, Elastase) puis nous adapterons ces pro-drogues aux métalloprotéases (MMP-9, MMp-2, MMp-7….). In vivo l’IRM sera utilisée pour évaluer l’efficacité des traitements en partenariat avec l’axe « IRM Quantitative Multi-Paramétrique »  De plus le contraste PDN créé par la libération de nitroxyde par la drogue activée in situ sera le témoin de la quantité du dépôt de la drogue et indiquera le lieu de son dépôt ouvrant ainsi la possibilité d’un traitement personnalisé, ceci en partenariat avec l’axe « Innovations en IRM à champ faible »

Le même raisonnement peut s’appliquer aux bactéries résistantes, un problème mondial de santé publique. En effet les bactéries sécrètent des enzymes de résistance aux antibiotiques ou de virulence comme des protéases. Différents programmes et collaborations en ce sens seront développés durant ce nouveau quinquennat avec une extension vers la lutte contre le paludisme et les schistosomes.

1.Seren, S., J.-P. Joly, P. Voisin, V. Bouchaud, G. Audran, S.R.A. Marque, and P. Mellet. 2022. Neutrophil Elastase-Activatable Prodrugs Based on an Alkoxyamine Platform to Deliver Alkyl Radicals Cytotoxic to Tumor Cells. Journal of medicinal chemistry.

2.Audran, G., S.R.A. Marque, and P. Mellet. 2020. Smart Alkoxyamines: A New Tool for Smart Applications. Accounts of chemical research.

3.Albalat, M., G. Audran, M. Holzritter, S.R.A. Marque, P. Mellet, N. Vanthuyne, and P. Voisin. 2020. An enzymatic acetal/hemiacetal conversion for the physiological temperature activation of the alkoxyamine C–ON bond homolysis. Organic Chemistry Frontiers.

4.Audran, G., L. Bosco, P. Brémond, N. Jugniot, S.R.A. Marque, P. Massot, P. Mellet, T. Moussounda Moussounda Koumba, et al. 2019. Enzymatic triggering of C–ON bond homolysis of alkoxyamines. Organic Chemistry Frontiers.

5.Moncelet, D., P. Voisin, N. Koonjoo, V. Bouchaud, P. Massot, E. Parzy, G. Audran, J.-M. Franconi, et al. 2014. Alkoxyamines: Toward a New Family of Theranostic Agents against Cancer. Molecular Pharmaceutics 11:2412-2419.

6.Audran, G., P. Bremond, J.-M. Franconi, S.R.A. Marque, P. Massot, P. Mellet, E. Parzy, and E. Thiaudiere. 2014. Alkoxyamines: a new family of pro-drugs against cancer. Concept for theranostics. Organic & biomolecular chemistry 12:719-723.

Personnes impliquées :

Financements :

  • Europe FETOPEN PrimoGAIA
  • Financement 80/Prime MITI

Collaborations :

  • Institut de chimie radicalaire (Marseille) équipe CRAB. Prof. Sylvain Marque ; Prof. Gérard Audran
  • CRC Paris 6 ; Michel Arthur (DR INSERM)
  • INSERM ERL 1289 Toulouse ; Françoise Benoit-Vical (DR INSERM)
  • INSERM U 1100 (Tours) ; Brice Korkmaz (CR INSERM)
  • UMR CNRS 5244 (Perpignan) Prof. Jérome Boissier
  • Consortium « Primogaïa »

Doctorants/Post-doctorants :

Seda Seren (Post-doc, 2020-2023)

Anciens membres:

Natacha Jugniot, Doctorante

Samantha Labarbe, Master 2 et Thèse de pharmacie

Théo Mercé, Master 1

Damien Moncelet, Doctorant

Neha Koonjoo, doctorante

Publications :

 
 
 
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