Faculté des sciences

Synthèse de dérivés de l'acide d-aminolévulinique, capable de cibler des cellules spécifiques, en vue de leur utilisation en thérapie photodynamique

Berger, Yann ; Neier, Reinhard (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2002 ; 1665.

Lorsque l'acide 5-aminolévulinique (ALA) est administré de façon topique, par intraveineuse ou directement au sein de la lésion à des tumeurs humaines ou animales, une production sélective de protoporphyrine IX (PpIX) est fréquemment observée au sein des tumeurs. Plusieurs facteurs physiques chimiques et physiologiques permettent d'expliquer ce phénomène. Les plus importants semblent... Plus

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    Résumé
    Lorsque l'acide 5-aminolévulinique (ALA) est administré de façon topique, par intraveineuse ou directement au sein de la lésion à des tumeurs humaines ou animales, une production sélective de protoporphyrine IX (PpIX) est fréquemment observée au sein des tumeurs. Plusieurs facteurs physiques chimiques et physiologiques permettent d'expliquer ce phénomène. Les plus importants semblent être :·Une concentration relativement élevée dans les tumeurs de l'enzyme porphobilinogène deaminase (PBGD), responsable de la limitation de la formation de la PpIX.·Une concentration plus faible de ferrochelatase (FC) et de fer dans de nombreuses tumeurs·Une température plus élevée, due à l'inflammation induite par la tumeur.·Une barrière de peau entourant la tumeur moins efficace, entraînant une augmentation de la pénétration de ALA au sein des tumeurs. La protoporphyrine IX (PpIX) est utilisée comme un marqueur fluorescent et comme agent photosensibilisant en thérapie photodynamique (PDT). Une augmentation temporaire de la PpIX dans les tissus peut être obtenue par administration de l'acide 5-aminolévulinique (ALA). La lipophicilité du produit est un des paramètres clé définissant la disponibilité biologique du produit lors d'une application topique du médicament. La production de fluorescence à partir de l'acide 5-aminolévulinique a été utilisée, afin d'évaluer la possibilité de cibler des cellules spécifiques avec un médicament. Afin de déterminer la possibilité d'adresser spécifiquement des dérivés de ALA à des cellules spécifiques, nous avons synthétisé et caractérisé des dérivés esters de ALA à base d'éthylène glycol, ainsi que des dérivés pseudopeptidiques, capable de cibler respectivement les estérases et les aminopeptidases cellulaires. Dérivés à base d'ester d'éthylène glycol et d'acides aminés La formation de la PpIX induite par ces produits a été étudiée en utilisant des cultures de cellules endothéliales ou de carcinome, provenant de rat et d'humain. La cytotoxicité de ces produits en absence de lumière a également été contrôlée. Les résultats ont montré que les esters à base d'éthylène glycol peuvent produire des concentrations importantes de PpIX et sont efficaces à des concentrations inférieures à celles induisant une cytotoxicité. Parmi les dérivés de ALA à base d'acides aminés qui ont été testés, la production de PpIX la plus importante a été obtenue en utilisant des dérivés de ALA formés avec des acides aminés neutres, comparés aux résultats obtenus avec les dérivés à base d'acides aminés, acides ou basiques. La seconde génération de dérivés synthétisés et caractérisés sont des produits à base de Gly-Gly ou Gly-Pro, ayant leur N terminal protégé ou libre. Ces dérivés de ALA ont été synthétisé en tant que substrat potentiel, spécifique pour les transporteurs de peptide et les aminopeptidases cellulaires. Dérivés dipeptidiques de la deuxième génération La formation de PpIX induite par ces produits a été étudiée en utilisant des cultures de cellules endothéliale et de carcinome d'origine humaine. Les dérivés de type dipeptide-ALA-OEt ayant leur N terminal libre ou protégé se sont révélés être des substrats pour les transporteurs membranaires et les aminopeptidases cellulaires, capable de métaboliser ALA à partir des précurseurs. Alors que les tests effectués avec les dérivés tripeptides-ALA-OEt ou dipeptides-ALA-OEtylène glycol ont donné que peu ou pas de fluorescence. Le précurseur non hydrolysé est transporté au sein de la cellule, il est ensuite hydrolysé de façon intracellulaire avec l'aide de serine-protéases. La sélectivité envers les cellules humaines endothéliales ou de carcinome est dépendante à la fois de l'expression sur la membrane cellulaire de transporteurs sélectifs et de l'activité enzymatique cellulaire. De ce fait, des médicaments couplés à des séquences Gly-Gly ou Gly-Pro pourraient sélectivement cibler des cellules spécifiques dans le cas de cancer humain, en utilisant des transporteurs de peptides spécifiques exprimés au niveau de la membrane cellulaire, ainsi que l'activité des peptidases exprimées au sein des cellules
    Summary
    When 5-aminolevulinic acid (ALA) is administered topically, intravenously or intraperitoneally to tumor-bearing animals or humans, tumour selective production of protoporphyrin IX (PpIX) is frequently observed. Several biophysical, biochemical and physiological factors explain this tumour selectivity, among which the most important ones seem to be: ·A relatively high concentration of the rate-limiting enzyme porphobilinogen deaminase (PBGD) in tumours.·Relatively low concentrations of ferrochelatase (FC) and iron in many tumours·A slightly elevated tumour temperature, related to inflammation·A compromised barrier of the skin overlying tumours, leading to an increased penetration of ALA into tumours.Protoporpyrin IX (PpIX) is used as a fluorescent marker and photosensitising agent in photodynamic therapy (PDT). A temporary increase of PpIX in tissues can be obtained by administration of 5-aminolevulinic acid (ALA). Lipophiciliy is one of the key parameters defining the bioavailability of a topically applied drug. The production of fluorescent PpIX from non-fluorescent 5-aminolevulinic acid (ALA) was used to evaluate drug targeting to specific cells in a tissue. To evaluate means to specifically target ALA-derivatives to defined cells, we have synthesized and characterized ethylene glycol esters and amino acid pseudodipeptide derivatives of ALA as potential specific substrates for cellular esterases and aminopeptidases, respectively. Ethylen glycol esters and amino acid pseudodipeptide derivatives of ALA The PpIX formation induced by these products was investigated using cultures of human and rat cell lines of carcinoma and endothelial origins. The cytotoxicity of these compounds in the absence of light was also controlled. The results have shown that ethylenglycol esters can induce high levels of PpIX and are useful at concentrations below their cytotoxicity threshold. From the ALA-amino acid derivatives which were evaluated, the highest PpIX production was obtained using ALA derivatives of neutral amino acids, as compared to acidic or basic amino acids. The second generation of derivatives synthesized and characterized were N-terminal-blocked and N-terminal-free pseudotripeptide Gly-Gly and Gly-Pro derivatives of ALA were synthesized as potential specific substrates for cellular peptide transporters and peptidases. Second generation of amino acid derivatives of ALA The PpIX formation induced by these products was investigated using cultures of human carcinoma and endothelial cells. N-blocked or N-free dipeptides-ALA-OEt, but not tripeptides-ALA or dipeptides-ALA-ethyleneglycols, were substrates for cellular transporters and peptidases, able to metabolize ALA from the precursors. The unhydrolyzed precursor is transported into the cell first, then hydrolyzed intracellularly involving serine-proteases. Cell selectivity for human endothelial or carcinoma cells was dependent on both the cell membrane expression of selective transporters and the intracellular enzymatic activities. Thus drugs coupled to Gly-Gly-/Gly-Pro-derivatives may selectively target defined cells in human cancer, depending on specific peptide transporters and peptidase activities expressed by the cells