UMR9187 / U1196 – Chimie, modélisation et imagerie pour la biologie

Thèses

2017

Outils moléculaires pour l’étude des G-quadruplex au sein du génome
Joël Lefebvre

Résumé

L’acide désoxyribonucléique se structure chez les êtres vivants de différentes façons. La plus connue est sa forme double hélice mais de nombreuses autres structures secondaires existent et notamment les G-quadruplex. Il s’agit d’une structure basée sur le repliement d’un brin d’ADN possédant des répétitions de guanines. L’association de quatre guanines entre elles par liaisons hydrogène forme un plan appelé G-quartet. Ce réseau de liaisons hydrogène est appelé appariement de Hoogsteen. L’empilement d’au moins deux quartets autour d’un cation monovalent comme le potassium ou le sodium constitue la structure G-quadruplex. Ces structures ont été très étudiées lors des vingt dernières années et il a été montré qu’elles sont impliquées dans de nombreux mécanismes biologiques tels que la réplication, la transcription, la traduction et également le maintien des télomères. La présence des G-quadruplex peut provoquer une instabilité importante aussi bien génétique qu’épigénétique. C’est pourquoi de nombreuses méthodes ont été développées afin de localiser et comprendre le rôle de ces structures in vivo. Pour cela, un large panel d’outils moléculaires a été utilisé cependant il est encore difficile, à partir de ce panel, d’apporter une réponse à toutes les questions sur l’implication des G-quadruplex au niveau du génome. Lors de ce travail de thèse, nous avons alors développés de nouvelles molécules capables de cibler sélectivement les G-quadruplex au sein d’un milieu biologique complexe à partir de deux ligands PDC et PhenDC3 affins et sélectifs pour les structures G-quadruplex.Sur la base de molécules de référence que sont PhenDC3 et PDC, de nombreux ligands ont été mis au point. D’une part, des ligands fonctionnalisés avec une biotine et/ou un groupement photoactivable ont été synthétisés afin de capturer et d’extraire des structures G-quadruplex dans un milieu biologique. D’autre part, des dérivés capables d’être fonctionnalisés in cellulo par l’utilisation de chimie bioorthogonale ont également été obtenus. Ceci permet d’ajouter une fonction (fluorescente ou biotine…) après que le dérivé ait interagi avec sa cible cellulaire. L’ensemble des composés a été évalué par des techniques biophysiques, l’expérience de FRET-melting et l’expérience de FID, afin de mesurer leur affinité pour différentes structures G-quadruplex et leur sélectivité. Nous avons proposé une relation entre les deux expériences afin d’avoir un classement de ligands le plus approprié pour les G-quadruplex.Un des objectifs majeurs de ce travail était de localiser les ligands de G-quadruplex au sein de cellules cancéreuses humaines. Dans un premier temps, toute une étude au sein de cellules fixées a été réalisée en utilisant deux réactions de chimie « click », la réaction de cycloaddition d’un azoture et d’un alcyne catalysée par le cuivre (CuAAC) et la réaction de cycloaddition d’une cyclooctyne et d’un azoture (SPAAC). L’étude s’est, dans un second temps, poursuivie au sein de cellules vivantes en utilisant uniquement la réaction SPAAC à cause de la toxicité in cellulo du cuivre.Ces composés ont également été testés pour l’extraction de G-quadruplex à l’aide de billes magnétiques recouvertes d’une fonction cyclooctyne. Cependant, les résultats observés, lors de cette étude préliminaire, n’ont pas été concluants et demandent une mise au point pour optimiser le système. (Soutenue le 15 décembre 2017)


Suivi thérapeutique d’un traitement par photothérapie dynamique sur des modèles murins de rétinoblastome

Stéphanie Lemaitre

Résumé

Le rétinoblastome est la tumeur intraoculaire primitive la plus fréquente de l’enfant. Les traitements actuels du rétinoblastome sont associés à de nombreux effets secondaires. De nouvelles approches thérapeutiques (telles que la photothérapie dynamique [PDT] ou les injections intra-vitréennes [IVT] de chimiothérapies) doivent donc être évaluées sur des modèles animaux, en vue d’une éventuelle application clinique.Dans cette thèse nous avons tout d’abord caractérisé un modèle murin obtenu par xénogreffe orthotopique de cellules issues de rétinoblastomes humains. Nous avons montré que la croissance tumorale intraoculaire est possible dans des lignées de souris immunodéficientes (Swiss-nude et SCID [severe combined immunodeficiency]) et dans une lignée immunocompétente (B6Albino). En raison du taux de prise tumorale insuffisant (entre 28.4% et 68.8% selon les lignées de souris utilisées) et des complications oculaires liées à l’injection orthotopique de cellules tumorales (cataracte, décollement de rétine chronique), les tests thérapeutiques (PDT et IVT de chimiothérapies) ont ensuite été réalisés sur un modèle murin transgénique de rétinoblastome (LHBetaTag).En vue du traitement par PDT, une étude de biodistribution par IRM (imagerie par résonance magnétique) du photosensibilisateur (PS, DEG-mannose) couplé au manganèse et une étude par dosage du PS ont été réalisées. Elles ont toutes les deux montré que l’illumination de la tumeur doit être réalisée 24 à 48h après l’administration intra-péritonéale du PS (ce qui correspond au « drug-to-light interval » du traitement par PDT). En utilisant ces paramètres, le traitement par PDT a été efficace sur les tumeurs rétiniennes des souris LHBetaTag. Au niveau de la zone traitée par PDT, il y a ainsi eu 91.7% de cicatrices choriorétiniennes en OCT (optical coherence tomography) pour un « drug-to-light interval » de 24h et 100% de cicatrices choriorétiniennes pour un « drug-to-light interval » de 48h. La rétine non tumorale située en dehors de la zone traitée par PDT avait un aspect normal en histologie, ce qui est en faveur d’une absence de toxicité rétinienne de la PDT sur les tissus sains. Le traitement par laser seul n’a pas eu d’effet anti-tumoral.Des traitements par IVT de chimiothérapies ont aussi été évalués sur les tumeurs rétiniennes des souris LHBetaTag. Les molécules utilisées ont été le melphalan, le carboplatine et le topotecan, administrées en mono ou en bithérapie. Nous avons montré que 4 IVT hebdomadaires de carboplatine à la dose de 1.5 µg ont la meilleure efficacité anti-tumorale (83.3% d’yeux sans masse tumorale en histologie) pour une toxicité rétinienne faible (21.4% d’yeux où il y a eu une diminution de l’épaisseur de la rétine non tumorale en OCT au cours du suivi in vivo). Le carboplatine semble donc être une alternative intéressante au melphalan, qui est actuellement la molécule la plus utilisée en clinique pour les IVT dans le rétinoblastome mais qui est associé à une toxicité rétinienne importante.En conclusion, ces études précliniques réalisées sur un modèle murin de rétinoblastome (LHBetaTag) montrent que la PDT est envisageable pour le traitement des tumeurs rétiniennes dans le rétinoblastome humain. Les IVT de carboplatine sont une perspective pour le traitement des flocons intra-vitréens dans cette maladie. Des évaluations fonctionnelles (électrorétinogramme, étude du réflexe optocinétique) devront cependant être réalisées chez la souris avant un éventuel passage en clinique afin de mieux caractériser une éventuelle toxicité rétinienne de ces traitements. (Soutenue le 27 novembre 2017)


Développements méthodologiques et logiciels pour l’imagerie X multimodale par balayage sur la ligne de lumière Nanoscopium

Antoine Bergamaschi

Résumé

L’objet de cette thèse est le développement méthodologique et logiciel d’outils permettant de traiter les grands volumes de données multimodales et tomographiques produits sur Nanoscopium. La technique de microscopie en rayons X durs par balayage permet l’acquisition simultanée d’information par contraste d’absorption, de phase, de diffusion et de fluorescence X. L’association des techniques de balayage avec l’infrastructure d’acquisition rapide FLYSCAN permet de proposer aux futurs utilisateurs de la ligne Nanoscopium de faire des acquisitions tomographiques multimodales. Un des principaux enjeux de cette approche est le traitement en ligne des grands volumes de données générées durant l’acquisition. Le résultat principal de cette thèse est le logiciel MMXI, dédié au traitement et à la reconstruction des jeux de données multimodales 2D et 3D. Ce logiciel intègre un algorithme dédié à la lecture de gros volumes de données, différentes fonctions de réduction de données, deux algorithmes de reconstruction de phase (intégration dans l’espace de Fourrier et technique itérative) et des algorithmes de reconstruction tomographiques (rétroprojection filtré ou itérative). L’ensemble des méthodes implémentées, des applications permettant de valider ces développements ainsi que les perspectives d’évolution sont présentées dans ce manuscrit. (Soutenue le 7 mars 2017)

2016

Photothérapie dynamique vectorisée contre le rétinoblastome : conception, synthèse et études photobiologiques de photosensibilisateurs excitables à deux photons
Su Chen

Résumé

La photothérapie dynamique (PDT) est un nouveau traitement n’induisant potentiellement pas de mutation et utilisable pour lutter contre le rétinoblastome. Les dérivés de porphyrine utilisés comme Ps dans la Thérapie PhotoDynamique (PDT) sont largement étudiés depuis la naissance du premier Ps de synthèse (l’HpD). Une limitation importante de la PDT provient de la faible profondeur (confinée près de la surface) de pénétration de la lumière (λ <700 nm) employée pour l’excitation du Ps. Afin de fournir une énergie d’activation suffisante pour produire l’oxygène singulet dans la fenêtre thérapeutique entre 700-1300, le processus d’absorption à deux photons a été proposé. Les Ps excitables par l’absorption simultanée de deux photons conduisent au concept de PDT à deux photons (PDT-ADP). Ce processus ayant une faible probabilité, son application demande le développement de nouveaux Ps avec une section efficace importante. Une autre limitation de la PDT est la faible sélectivité et spécificité des Ps actuels pour les cellules tumorales. Un ciblage actif de récepteurs membranaires spécifiques des cellules tumorales représente une solution possible. Il a été rapporté que des récepteurs de type lectine reconnaissant certains sucres sont surexprimés par des cellules malignes. Nous présenterons la synthèse et les résultats photocytotoxiques de dimères dissymétriques de porphyrine P-Y-P’, inspirée d’études précédentes du laboratoire, privilégiant l’introduction de trois chaînes para-phénoxy-diéthylène glycol mannose sur trois des positions méso de porphyrines optimisés pour l’absorption à deux photons et vectorisés vers des lectines membranaires.Pour contourner le problème de solubilité des porphyrines dimères en milieu aqueux et améliorer l’internalisation de Ps dans les cellules tumorales, nous avons analysé le comportement interfacial des porphyrines dimères à l’interface air-tampon, étudié leur incorporation dans les liposomes à l’aide de la technique de la fluorescence, et évalué l’interaction entre porphyrin dimères et la Concanavaline A (une lectine extraite de Canavalia ensiformis qui reconnaît de manière spécifique l’alpha-D-mannose). (Soutenue le 15 décembre 2016)

Autour du noyau imidazo[4,5-b]pyridine : inhibiteurs potentiels de la protéine kinase Tyro3 et fonctionnalisation directe de liaisons C – H
Tom Baladi

Résumé

Étant au quatrième rang des cancers les plus fréquents chez l’homme, le cancer de la vessie représente un enjeu médical important. Pourtant, à ce jour, seuls des traitements chirurgicaux handicapants et/ou chimiothérapiques non spécifiques peuvent être envisagés. Le projet de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche de thérapies ciblées du cancer de la vessie en ayant pour objectif le blocage, au niveau moléculaire et de manière sélective, des voies de signalisation mises en œuvre par la tyrosine kinase Tyro3 au sein des cellules cancéreuses. La mise en évidence de la surexpression de ce récepteur membranaire dans la majorité des tumeurs de vessie et son rôle dans la survie des cellules cancéreuses ont en effet permis de valider Tyro3 comme cible thérapeutique pour ce type de cancers. Le projet peut se diviser en trois parties : le développement de nouvelles méthodologies de synthèse autour du motif imidazo[4,5-b]pyridine, la synthèse d’une librairie de candidats inhibiteurs en utilisant les méthodes mises au point et enfin l’étude des relations structure-activité vis-à-vis de la protéine kinase Tyro3. (Soutenue le 18 novembre 2016)

2015

Conception d’outils chimiques pour la détection des structures d’ADN G-quadruplex
Élodie Morel

Résumé

Des structures secondaires d’acides nucléiques atypiques, les structures G-quadruplex, peuvent se former autour d’un cation (K+ ou Na+) dans les régions riches en guanines, grâce à une association de type Hoogsteen. La formation de ces structures est impliquée dans de nombreux mécanismes biologiques, comme la réplication, la transcription ou l’épissage. Elles peuvent affecter l’architecture de l’ADN jusqu’au niveau de la chromatine et provoquer une instabilité importante, tant génétique qu’épigénétique. De nombreuses méthodes ont été développées afin de détecter ces structures in vivo et de comprendre leurs implications au niveau cellulaire. Cependant, le panel d’outils moléculaires disponible actuellement ne permet pas une exploration du génome complète et sélective. Nous avons souhaité développer des outils, capables de sonder efficacement un milieu biologique complexe à la recherche de structures G-quadruplex et d’évaluer le potentiel d’une stratégie thérapeutique anti-tumorale ciblant ces structures. Nous avons mis au point un panel de composés combinant des ligands d’ADN G-quadruplex (PDC, PhenDC3 et Métal-ttpy) avec une biotine et un groupement photoactivable, permettant la capture et l’extraction de structures G-quadruplex de milieux biologiques complexes. Les ligands ont été évalués grâce aux techniques de FID et de FRET-melting, et sélectionnés pour leur affinité mais aussi pour leur affinité pour l’ADN G-quadruplex, assurant un ciblage efficace. Il a également été possible de piéger directement une séquence G-quadruplex en utilisant un complexe de platine, formant un adduit métallique avec les bases de l’ADN. Grâce ce type de ligand d’ADN G-quadruplex, la liaison de coordination métallique joue le rôle de marqueur covalent. Nous avons déterminé sur gel d’électrophorèse la localisation des adduits formés par des complexes dérivés du tolylterpyridine-platine (Pt-ttpy) et étudié la cinétique de platination de l’ADN G-quadruplex. La fonctionnalisation du complexe Pt-ttpy par des groupements photoactivables a permis de réaliser un double-ancrage covalent dans une structure d’ADN G-quadruplex. Par ailleurs, la fonctionnalisation avec un fluorophore a conduit aux premières évaluations en milieu cellulaire.Enfin, notre panel de composés a été testé dans des conditions de capture supportée d’ADN G-quadruplex. Une mise au point de la technique de capture a été réalisée en utilisant des billes magnétiques recouvertes de streptavidine. Les expériences de capture sur billes ont montré que l’efficacité de nos outils varie en fonction de la topologie de la structure G-quadruplex ciblée et du ligand utilisé. Par ailleurs, le groupement photoactivable introduit sur certains de ces outils n’a pas permis d’améliorer la capture d’ADN G-quadruplex. Cependant, il a été possible d’utiliser ces outils en présence d’ADN génomique pour capturer efficacement de fragments d’ADN télomérique, par effet G-quadruplex. (Soutenue le 18 décembre 2015)

Les télomères, cibles potentielles des dérivés du cis-platine, fixation et conséquences sur leur structure
Samar Ali

Résumé

Les télomères sont des structures spécifiques nucléoprotéiques localisées aux extrémités des chromosomes. Ils protègent les chromosomes contre la dégradation, les recombinaisons et les fusions et permettent qu’ils ne soient pas reconnus comme des cassures à l’ADN. Ils sont composés d’ADN télomérique, constitué de répétitions de la séquence TTAGGG, qui se prolonge par une extrémité 3’ simple brin, et de six protéines télomériques dont la protéine TRF2 qui sont indispensables au maintien de l’intégrité des télomères. Le brin riche en guanines est capable, en présence de cations monovalents, de se replier sur lui- même en une structure à quatre brins, la structure G-quadruplexe. Sa stabilisation par des ligands est une stratégie anti-tumorale car elle provoque des perturbations télomériques conduisant à la mort des cellules cancéreuses. Comme les télomères sont des séquences riches en guanines, ils peuvent aussi constituer une cible potentielle des complexes de platine. Notre objectif consiste à augmenter le ciblage des télomères en associant au sein de la même molécule, un ligand de structure G-quadruplexes qui reconnaitrait ces structures avec un atome de platine qui les bloquerait ensuite irréversiblement. La tolyl-terpyridine-Pt(II), (Pt-ttpy) a été conçue dans ce but. Elle stabilise et se fixe irréversiblement sur les structures G-quadruplexe in vitro. Nous avons analysé les perturbations télomériques induites par ce ligand de G-quadruplexes (Pt-ttpy) en comparaison avec des complexes qui ne stabilisent pas ces structures (terpyridine-Pt(II) ou Pt-tpy, et le cis-platine drogue anti-tumorale utilisée en chimiothérapie) et quantifié le nombre de complexes fixés au niveau des télomères. Nous avons travaillé sur deux lignées cancéreuses d’ovaire sensibles et résistantes au cis-platine (A2780 A2780-cis) et une lignée non-cancéreuse BJ-hTERT. Les complexes Pt-ttpy et Pt-tpy inhibent la prolifération cellulaire des cellules cancéreuses à des doses de l’ordre du µM et ne montrent aucune résistance croisée avec le cis-platine. Nos résultats obtenus par ChIP et immunofluorescence montrent sans ambiguïté que Pt-ttpy délocalise 50% de protéine TRF2 des télomères uniquement des cellules cancéreuses et augmente les dommages au niveau de l’ADN télomérique par rapport aux complexes qui ne sont pas des ligands de G-quadruplexes, sans pour autant induire un raccourcissement des télomères. Donc l’association d’un ligand de G-quadruplexes avec un atome de platine au sein d’une même molécule permet de cibler préférentiellement les télomères des cellules cancéreuses par rapport au complexe de platine seul. Cependant, les perturbations télomériques induites par Pt-ttpy n’ont pas été augmentées par rapport aux meilleurs ligands de G-quadruplexes connus. De façon intéressante, et pour la première fois dans la littérature, nous avons montré que nos deux complexes Pt-ttpy, Pt-tpy ciblent directement les télomères des cellules cancéreuses puisqu’ils s’y fixent. Ils augmentent la préférence de fixation à l’ADN télomérique/l’ADN génomique d’un facteur 15 par rapport au cis-platine. Cette préférence de fixation semble indépendante de la reconnaissance de structures G-quadruplexes mais semble plutôt dépendre de la nature des complexes de platine. D’autre part, à cause de la faible quantité de complexes retrouvée au niveau des télomères, leur fixation aux télomères ne peut être responsable, à elle seule, la délocalisation de TRF2, suggérant que le déplacement de TRF2 des télomères n’est pas dû un empêchement physique mais plutôt à une réponse biologique. Ainsi, nos travaux montrent que les molécules hybrides ligands de structure G-quadruplexes-Pt(II) sont une stratégie intéressante pour ciblage des télomères des cellules cancéreuses. Ceci ouvre la voie au développement de nouveaux complexes dont le facteur de préférence pour l’ADN télomérique et également la quantité de complexe fixée au niveau de l’ADN télomérique seraient augmentés par rapport à Pt-ttpy. (Soutenue le 24 novembre 2015)

Développement des sondes fluorescentes pour la détection de l’ADN quadruplex
Xiao Xie

Résumé

Les acides nucléiques simple-Brins contenant des répétitions de guanines peuvent former des structures secondaires non canoniques dites G-Quadruplexes, composées de plusieurs couches de quartets de guanine. Malgré de nombreuses études in vivo, les preuves de présence de structures quadruplexes in vivo restent indirectes. L’objectif de ce travail était la recherche de sondes fluorescentes capables de signaler la présence d’ADN quadruplex et détecter sa structure (topologie).Deux séries de sondes fluorescentes ont été envisagées et préparées : les colorants styryles (majoritairement distyryles) et les dérivés PDC-Coumarines. La conception de ces deux séries est basée sur l’échafaudage bisquinolinium pyrido¬dicarboxamide (PDC-360A), un ligand sélectif ayant une bonne affinité vis-À-Vis des structures d’ADN quadruplexes, mais qui est non-Fluorescent. En s’inspirant de cette molécule et du motif styryle, connu pour ses propriétés spectroscopiques, nous avons préparé une librairie de colorants distyryles. Une deuxième série, les dérivés PDC-Coumarine, est synthétisée afin d’introduire la propriété fluorescente de la coumarine dans le PDC par une liaison covalente.Les propriétés de colorant de ces deux librairies (65 composés) ont été étudiées en présence de nombreuses structures d’ADN (quadruplex et duplex) en utilisant un criblage par fluorescence sur microplaques et des méthodes de titration. Nos résultats montrent que certains colorants synthétisés possèdent une haute réponse fluorimétrique (facteur d’augmentation de fluorescence de 200 à 600) vis-À-Vis de différentes structures d’ADN et d’ARN quadruplex, ayant une très faible réponse fluorimétrique vis-À-Vis de l’ADN duplex. Cela permet de marquer sélectivement l’ADN quadruplex dans la solution ou sur les gels d’électrophorèse. Ces résultats représentent une première étape vers l’utilisation de ces sondes dans un contexte biologique, par exemple dans l’imagerie de fluorescence. (Soutenue le 28 janvier 2015)

2012

Sondes fluorescentes vinyl-triphénylamines optimisées pour la microscopie biphotonique : Étude des intéractions non covalentes avec l’ADN et la HSA et application à l’imagerie cellulaire
Blaise Dumat

Résumé

L’avènement de la microscopie biphotonique et des techniques dites de « super-résolution » ont permis d’améliorer les performances de la microscopie de fluorescence et de l’appliquer à l’imagerie intravitale et à l’analyse des tissus biologiques. Ces techniques requièrent néanmoins l’emploi de sondes aux propriétés optiques et biologiques optimisées.Plusieurs séries de colorants cationiques basés sur le motif vinyl-triphénylamine (TP) ont été développés pour le marquage d’ADN. Ces fluorophores rouges ou jaunes dont l’émission de fluorescence est commutée par l’interaction avec l’ADN sont des ligands de petit sillon de l’hélice B et possèdent des sections efficaces d’absorption à deux photons élevées.Les TP marquent l’ADN du noyau des cellules fixées ou en apoptose avec une intensité et un contraste élevés. Elles sont non-cytotoxiques, photostables et sont perméables à la membrane cellulaire. L’optimisation des propriétés a permis d’obtenir la TP-2Bzim, qui possède une brillance biphotonique parmi les plus élevées rapportées dans la littérature pour des molécules de faible poids moléculaire (383 GM) et permet une détection en microscopie biphotonique à basse concentration et à faible puissance d’excitation. En cellules vivantes, les TP sont localisées dans les mitochondries mais, sous excitation mono- ou bi-photonique constante, elles déclenchent l’apoptose de la cellule et se relocalisent dans le noyau. Le phénomène peut être imagé par fluorescence, et les TP pourraient donc être employées comme photosensibilisateurs théranostiques.Enfin, une stratégie de synthèse pour fonctionnaliser la TP-2Bzim a été développée. Elle a ainsi pu être couplée à des oligonucléotides et à un PNA pour la détection d’hybridation par fluorescence et à l’acide folique et à la spermidine pour le ciblage de cellules cancéreuses.