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Professeur est Mr Terreux...

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Conception rationnelle | Initiation à la connaissance du médicament

Tutorat Santé Lyon Sud

Pharmacologie

Conception rationnelle Cours du Professeur R. TERREUX

L’ensemble des cours du Professeur R. TERREUX fait habituellement l’objet de 2 QCMs au concours.

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Conception rationnelle | Initiation à la connaissance du médicament SOMMAIRE

I. CONCEPTION D’UNE MOLECULE ACTIVE .............................................................................................. 3 1. Introduction........................................................................................................................................... 3 2. Trois phases :

................................................................................................................................... 3

II. MODELES ET MODELISATION MOLECULAIRE : DEFINITIONS ET OBJECTIFS ........................................... 7 III. METHODES DE CALCUL ...................................................................................................................... 8 III.A. MECANIQUE QUANTIQUE (MQ)................................................................................................................... 8 III.B. MECANIQUE MOLECULAIRES (MM) .............................................................................................................. 9 III.C. OPTIMISATION GEOMETRIQUE.................................................................................................................... 10 III.D. DYNAMIQUE MOLECULAIRE ....................................................................................................................... 10 IV. APPROCHE « RECEPTEUR ».............................................................................................................. 11 IV.A. CONSTRUCTION DU RECEPTEUR .................................................................................................................. 11 1. Méthodes expérimentales................................................................................................................... 11 2. Modélisation par homologie ............................................................................................................... 12 IV.B. DOCKING................................................................................................................................................ 12 1. Caractérisation du site actif ................................................................................................................ 13 2. Positionnement du ligand ................................................................................................................... 14 3. Evaluation des interactions : scoring .................................................................................................. 14 IV.C. EXEMPLE DES AINS.................................................................................................................................. 15 V. APPROCHE « SANS RECEPTEUR » ...................................................................................................... 16 V.A. RELATION STRUCTURE ACTIVITE 2D = 2D QSAR ............................................................................................ 16 V.B. PHARMACOPHORE .................................................................................................................................... 17 V.C. METHODE 3D QSAR ............................................................................................................................... 18 VI. ANNALES ........................................................................................................................................ 19 VII. CORRECTION ................................................................................................................................. 25

: Notion importante, déjà tombée au concours.

Partie 1 : Concepts et théories 2/30

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I. CONCEPTION D’UNE MOLECULE ACTIVE

1. Introduction - La conception de nouvelles molécules est toujours d’actualité en 2020 comme la recherche d’une molécule pour lutter contre la COVID-19. - La durée d’un brevet pour protéger une molécule est de 20 ans. - La modélisation est une technique en place depuis 50 ans. Médicament : mélange de molécules actives (une ou plusieurs) et d’excipients. La découverte de médicaments est une très vieille préoccupation :  Antiquité : ▪ Observation et empirisme ▪ Le remède était préparé puis donné au patient. Si le patient venait à guérir, cela permettait de valider le remède.  Avant 1980 : ▪ Modifications chimiques basées sur l’empirisme ▪ Le chef de laboratoire décidait d’une série de molécules chimiques à synthétiser, réalisait la série et la testait entièrement  Depuis 30 ans, c’est plus difficile : ▪ Recherche de molécules hyperactives avec des doses très faibles permettant de guérir la pathologie, c’est ce qu’on appelle l’activité nano molaire. ▪ Nouveaux domaines dans lesquels il n’y a pas de molécules actives connus : en 1980 il n’y avait aucunes molécules permettant de soigner le Sida (VIH), les laboratoires ont alors ouvert une bibliothèque de molécules et testé l’ensemble des molécules, ainsi on a trouvé l’AZT (au départ connu pour son activité anticancéreuse, développé 20 ans plus tôt) ▪ Désir de minimisation des effets secondaires : notamment dans l’utilisation des AINS Conception d’un médicament :

2. Trois phases : 1. Recherche et développement (R&D) : in vitro 2. Préclinique : in vivo (animaux) 3. Clinique : sur l’Homme Tutorat Santé Lyon Sud (2021-2022)

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La phase de développement se décompose en plusieurs étapes : ▪ Identification des cibles thérapeutiques ▪ Validation des cibles par biologie moléculaire ▪ Criblage de la chimiothèque, avec enregistrement des activités dans les bases de données Le coût global de fabrication est estimé à 1 milliard de dollars. Les molécules qui seront identifiées comme ayant une bonne activité seront appelées des « hits ». Ces molécules sont ensuite optimisées d'un point de vue pharmacocinétique et pharmacodynamique afin de leur donner une activité nanomolaire, une meilleure absorption et une toxicité moindre : on obtient alors un « lead ». Les leads sont encore optimisés en vue d'être testés en phase pré-clinique. Un lead n’est pas un médicament ! 3. Les cibles des médicaments Les différentes cibles de la molécule thérapeutique : - Protéines : o Enzymes : inhibiteurs (réversible ou non) o Récepteurs : agoniste ou antagoniste Canaux ioniques : bloqueurs (si on active un canal ionique → sortie d’ions → la cellule rentre en apoptose + blocage du signal nerveux) o Transporteurs : inhibiteurs de transport ADN : agents intercalants, drogues anti-sens, liants au petit sillon (risque d’effets secondaires dont l’induction de cancers) o

-

La plupart des médicaments sont connus grâce : ✓ Savoir-faire ancestral ✓ Approche basée sur la similitude (modification du noyau externe de la molécule) Les règles de Lipinski permettent justement une approche basée sur la similitude. C’est le concept de drug likeness (ce qui ressemble le plus à un médicament, c’est un autre médicament). Elles ont permis la création de nouvelles molécules médicaments lors des phases in vitro. Elles doivent être connus mais il faut aussi savoir s’en affranchir.

Règles de Lipinski (règles des 5) o o o o o

:

Poids moléculaire < 500 g/mol (optimal ≈ 350 g/mol) Nombre de liaisons H acceptrices < 10 (optimal ≈ 5) Nombre de liaisons H donneuses < 5 (optimal ≈ 2) -2 < clogP < 5 (optimal ≈ 3) : coefficient de partage eau/octanol corrélé à la pénétration cellulaire Nombre d’angles de rotation ≤ 5 : degré de liberté dans la molécule (liaisons simples)

4. Identification d’un « hit » : −

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Approche classique : à partir de substances naturelles : ▪ Broyage/extraction (afin d’isoler les molécules) ▪ Recherche d’activité (ont-elles une bonne activité ?) Tutorat Santé Lyon Sud (2021-2022)

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▪

Synthèse et production (oui, alors on les produit)

Chimie combinatoire/criblage à haut débit (High Troughput Screening : HTS) : ▪ Synthèse automatique et rapide de milliers de molécules ▪ Optimisation des molécules permettant une modélisation moléculaire ▪ Analyse des informations, tri et évaluation de la diversité moléculaire ▪ Utilisation de robot ayant des capacités de : + 100 000 molécules/jour (HTS) Le criblage à haut débit consiste à faire réagir en même temps un grand nombre de molécules différentes avec une cible donnée, pour permettre d’identifier, en un minimum de temps, celles de ces molécules qui présentent un intérêt pour développer un médicament. −

−

Modélisation moléculaire : soit à partir d’une structure connue (relation structure activité RSA, similitude) soit à partir de rien (Design De Novo)

Depuis une vingtaine d’année, elle est devenue un standard de l’industrie pharmaceutique. Grâce à cette modélisation, on a jusqu’à nos jours une centaine de succès. La R&D d’une molécule active se passe au niveau de 3 équipes : ♥ Modélisation moléculaire (MM) ♥ Synthèse chimique ♥ Evaluation biologique

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Les 3 équipes créant un cycle qui tourne de manière continue afin d’optimiser la molécule. La MM va proposer une structure chimique à synthétiser à la chimie, qui va elle-même proposer la molécule synthétisée à l’évaluation biologique pour qu’elle détermine l’activité de la molécule (test in vitro sur la cible). S’il y a nécessité d’une nouvelle optimisation, la molécule retourne à la MM pour un nouveau cycle. La modélisation moléculaire permet de réduire les effets secondaires des médicaments en augmentant leur activité et diminuant leur toxicité. Pour la MM, il y a 2 approches : → Récepteur → Ligand (sans récepteur) Les bases de données moléculaires nourrissent les 2 méthodes. Elles sont soit « in house » (appartient à l’entreprise) soit publiques. On a aussi besoin d’une base de données de la cible car pour l’approche avec le récepteur il faut connaitre sa structure. On va donc tourner dans ce cercle jusqu’à ce qu’on ait une activité nanomolaire et seulement ensuite on passe à la phase préclinique et pour finir à l’AMM (Autorisation de Mise sur le Marché).

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II. MODELES ET MODELISATION MOLECULAIRE : DEFINITIONS ET OBJECTIFS Modèle : représentation simplifiée de la réalité (abstraction des paramètres complexes). Modélisation moléculaire : investigation des structures et des propriétés moléculaires, utilisant la chimie calculatoire sur ordinateur et les techniques de visualisation graphique afin de donner une représentation tridimensionnelle plausible dans des circonstances définies. Ce sont des techniques récentes, développées depuis 35 ans, avec des domaines d’études très larges (chimie, biochimie, biologie moléculaire). Elles permettent d’établir une représentation 3D de la structure d’une molécule. Applications : ❖ Mise au point de molécules bioactives (principes actifs) ❖ Etude d'interactions entre : ▪ Petites molécules / Récepteurs (protéines, ADN, ARN) ▪ Protéines, ARN, ADN / Protéines (entre biopolymères) ❖ Etude de la structure des protéines, ARN, ADN, de membranes ❖ Simulation de réactions chimiques Exemple : acide acétylsalicylique (aspirine), voici la différence entre le dessin de la structure moléculaire et le modèle moléculaire, dans le premier cas on a un simple dessin avec des traits, alors que dans le second on a un aspect tridimensionnel de la molécule (ici en boules et bâtons).

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-

Modélisation avec modèle de la protéine de Crambie Modèle d’une protéine prise dans la base de données de Protein Data Bank contenant 169 117 structures. On peut voir des hélices alpha représentées en rouge et les boucles en bleu, on peut observer 3 ponts disulfures entre 2 cystéines en bâtons gris pour les carbones, et du jaune pour le Souffre Les chaînes peptidiques sont représentées sous forme de bandes de couleurs variables pour la structure secondaire. Uniprot : 5 063 082 séquences https://fr.wikipedia.org/wiki/Protéine#/m edia/Fichier:Human_alfa2beta2_hemoglo bin.gif

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III. METHODES DE CALCUL Une des premières applications des méthodes de calcul est de calculer l’énergie interne d’une molécule. Puis on la minimise pour avoir la conformation la plus correcte de cette molécule. Pour faire ce genre calculs, il y a 2 grandes familles : Réactivité chimique : mécanique/chimie quantique Interactions, structures, ... : mécanique moléculaire Cependant aucune n’est parfaite car elles font toutes deux des approximations.

III.A. MECANIQUE QUANTIQUE (MQ) Le but de la MQ est de déterminer les orbitales moléculaires qui sont une combinaison linéaire d’orbitales atomiques. Elle détermine l’ordre des liaisons chimiques. Il faut savoir que la résolution exacte de + l’équation de Schrödinger n’est possible que pour l’H2 . Il faut donc faire des approximations pour avoir des molécules d’intérêt pharmacologique. Elle est bien plus longue que la mécanique moléculaire car elle utilise des calculs bien plus lourds mais utilise des méthodes bien plus précises. On distingue plusieurs sous familles de méthodes :  Semi-empirique : plus d’approximations car certaines sont définis de façon empirique donc plus rapide mais peu précis.  Ab-initio : méthode lourde en termes de calcul. ▪ Hartee Fock (HF) : très précise ▪ Post Hartee Fock (MPn) : ultra précise  DFT (Density Functional Theory) : analyse de la densité de gaz (d’électrons), méthode corrélative ultra précise → méthode de référence en chimie quantique. Applications : ❖ Optimisation géométrique ❖ Réactivité moléculaire (simulation des ruptures et formations de liaisons au cours de la réaction) ❖ Calculs de propriétés chimiques (énergie, densité électronique, orbitales atomiques et moléculaires, charges, moments dipolaires, spectre de température de transition vitreuse) ❖ Propriétés RMN, IR ❖ Dichroïsme circulaire

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III.B. MECANIQUE MOLECULAIRES (MM) En MM on s’affranchit complètement de la réalité chimique car : ▪

Atome : boule indéformable chargée

▪

Liaison chimique : ressort incassable

Pour faire les calculs, on doit :

1. Affectation d’un type aux atomes : nature de la boule : → Sur la molécule de gauche, le noyau phényle va être entièrement délocalisé au niveau de la double liaison avec l’azote et le carbonyle (formule conjuguée = sp2). L’azote est hybridé sp2 et pas sp3. Donc le type du dessous est faux. A partir de ce typage, l’ordinateur va regarder dans ses bases de données les codes et les forces des ressorts, ainsi que les charges des atomes. 2. Calcul des paramètres des liaisons chimiques 3. Minimisation de l’énergie de déformation : → Les paramètres des atomes et de déformations spécifiques de chaque liaison se trouvent dans des champs de force (généralistes ou spécialisés). Les champs de force généralistes (valables pour tout) donnent de résultats médiocres, on utilise donc des champs de force de type spécialisé. Ces paramètres se trouvent dans un champ de force soit : - Champs de force de type généralisé - Champs de force de type spécialisé ♥

AMBER : acides nucléiques et acides aminés et protéines

♥ ♥ ♥

CHARMM : acides aminés, protéines COMPASS : matériaux en phase condensée en chimie inorganique MMF94 : petites molécules

Le but est d’évaluer l’énergie interne de la molécule qui est la somme des énergies de déformation. de la molécule représentée. C’est une équation avec les atomes liés ou non entre eux

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Applications : ❖ Optimisation géométrique ❖ Dynamique moléculaire : études des mouvements moléculaires ❖ Docking : simulation d’arrimage de petites molécules/récepteur ❖ Etude des interactions ❖ PAS de réactivité moléculaire

(car les ressorts peuvent être déformés mais jamais brisés)

III.C. OPTIMISATION GEOMETRIQUE Le but de l’optimisation géométrique est de trouver la structure possible de la molécule, c’est à dire celle d’énergie interne minimale. Pour cela on minimise l’énergie de déformation : •

Méthode par MM (rapide, moins précise) ou mécanique quantique (plus précis)

• •

Procédé itératif : création de cycles d’optimisation Algorithme de minimisation : o Simplex : procédé simple pour les premiers pas o Gradient conjugué : bonne méthode → méthode de référence o Newton-Raphson : méthode recommandée pour les derniers pas, calculs complexes

III.D. DYNAMIQUE MOLECULAIRE Le but est d’étudier la flexibilité d’une molécule ou d’un biopolymère. Pour cela, on utilise la relation de Newton : Fi(t) = miai(t). Pour résoudre cette équation du mouvement, il faut une intégration numérique. C'est-à-dire qu’on calcule la place de l’atome à t+∆t (selon un procédé itératif). A chaque fois on augmente de ∆t. On ajoute donc de l’énergie cinétique au système pour simuler l’agitation thermique , donc l’énergie totale est égale à la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle (énergie interne) : Et = Ec + Ep. Il y a une équilibration entre énergie cinétique (température du système) et énergie potentielle (conformation). On peut réaliser plusieurs types de simulations avec à chaque fois deux facteurs constants ▪ Pression/Température constantes (NPT) ▪ Volume/Température constants (NVT) ▪ Energie/Volume constants (NVE) ▪ Energie/Enthalpie constants (NPH)

:

ATTENTION : le temps de simulation est de quelques nanosecondes (20nS) voire 1 microseconde pour les meilleurs.

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Partie 2 : Applications IV. APPROCHE « RECEPTEUR » IV.A. CONSTRUCTION DU RECEPTEUR Dans une approche avec récepteur, il faut un modèle moléculaire du récepteur. Pour une petite molécule il est facile de créer un modèle. Pour un biopolymère c’est plus compliqué : ▪ Acides nucléiques (ARN, ADN) : peu de structures 3D valides mais possibilités de créer un modèle (à partir de la séquence) ▪ Protéines : trop de degré de liberté (2/acide aminé) et plusieurs structures 3D possibles (coude, hélice, feuillet β, ...) On se retrouve avec des milliers de possibilités alors qu’une seule structure est valable : la structure foldée (repliée). Mais elle est impossible à produire par ordinateur. Pour trouver la structure d’une protéine, il y a 3 possibilités : - Résolution ...