Section 16 Chimie du vivant et pour le vivant : conception et propriétés de molécules d'intérêt biologique

IV. Comprendre le vivant

A. Conception et synthèse de sondes d'imagerie

Deux grandes familles de sondes pour l'imagerie peuvent être distinguées. Un premier groupe est constitué de sondes d'imagerie qui s'accumulent en présence d'un phénomène biologique ciblé. On y retrouve toutes les sondes radioactives (comme les sondes TEP ou SPECT) et les agents de contraste (IRM, ultra-sons...). Dans ce domaine, le développement de méthodes chimiques rapides et efficaces pour incorporer de façon stable et biocompatible dans la sonde l'agent d'imagerie (en particulier au niveau des sondes TEP), ainsi que sa conjugaison à des biomolécules et agents de ciblage efficace sont les principaux axes de développement.

La seconde famille concerne les sondes activables (dites aussi smart probes), qui ne donnent un signal qu'en présence d'un analyte. Elles sont principalement représentées par les sondes optiques (notion de pro-fluorescence et chémiluminescence). Le défi actuel consiste à augmenter significativement le rapport entre le signal émis par la sonde éteinte et la sonde allumée. Notons également le développement de sondes IRM déclenchables qui a pris un essor remarquable ces dernières années.

L'ensemble de ces techniques d'imagerie non invasives doit être mis en rapport avec leur résolution et leur sensibilité. La découverte de nouveaux agents de contraste plus sensibles par exemple, et l'amélioration de la résolution spatiale (imagerie de fluorescence à deux photons, suivi de molécules uniques) sont des approches en plein essor, tout comme le développement de sondes bimodales qui permettent d'allier les avantages de deux techniques.

L'enjeu pour l'imagerie par fluorescence est le développement de fluorophores excitables et observables dans le proche infrarouge afin de s'affranchir de l'auto-fluorescence des substances endogènes, d'obtenir une meilleure pénétration des tissus les plus profonds et de réduire les photo-dommages. Dans cette optique, le développement de nouveaux fluorophores proche infrarouge, biodisponibles, photostables et biocompatibles, ou de fluorophores excitables à deux photons s'avère donc porteur pour l'imagerie optique du petit animal. Les développements conjoints de l'instrumentation et des sondes fluorescentes confèrent à ce domaine un essor remarquable, résultant d'une recherche souvent multidisciplinaire : chimistes, biologistes, physiciens et cliniciens.

Comme dans le domaine de la libération programmée des drogues (voir § IIIB), plusieurs stratégies existent. Les sondes fluorescentes peuvent être conjuguées à des biomolécules d'intérêt, ou encore être incorporées dans des nanoparticules. Elles peuvent comporter des agents de ciblage, et se développe actuellement le principe de la théranostique où elles sont également conjuguées à des molécules à action thérapeutique (voire aident au déclenchement d'une activité biologique, comme dans le cas de la photothérapie dynamique). Elles peuvent aussi être masquées et libérées soit via des réactions auto-immolables (voir § IIIB), soit, technique qui a connu un développement remarquable ces dernières années, lors de l'excitation photonique (photodécageage, opto-génétique) : on parle de sondes photoactivables.

B. Bioconjugaison et chimie in vivo

Le défi proposé aux chimistes dans le domaine de la bioconjugaison consiste à créer efficacement une liaison covalente entre une biomolécule (ADN, ARN, ose, protéine, métabolite, lipide) et une entité synthétique (vecteur, linker, sonde, traceur, surface...) de façon chimio- et régiosélective, sans altérer les fonctions de la biomolécule, ni de l'entité synthétique. Ceci implique de travailler en milieu aqueux.

Les développements récents dans les domaines des biothérapeutiques, des technologies miniaturisées de bioanalyse, des technologies d'imagerie, les applications théranostiques... ont mis en évidence les limites des systèmes de bioconjugaison existants. Une activité importante est actuellement déployée par les chimistes pour inventer de nouvelles réactions ou de nouvelles associations de réactions conduisant à la formation de liaisons biostables, à des marquages plus spécifiques, plus efficaces et plus flexibles, ainsi qu'à des stratégies permettant d'accéder à des bioconjugaisons multiples via le développement d'un arsenal de réactions bio-orthogonales complémentaires, et au développement d'agents de bioconjugaison multiples associés.

L'intérêt pour la bioconjugaison va certainement s'amplifier dans les années à venir. La bioconjugaison apparaît déjà comme un domaine clé pour la réalisation de produits de très forte valeur tels que les antibody-drug conjugate (ADC). Commencent à apparaître également les prémices de systèmes de conjugaison radicalement différents permettant par exemple le couplage de séquence spécifique ou la bioconjugaison en milieu vivant. Ici, l'objectif est d'atteindre une vitesse de réaction et une sélectivité comparables à celles des réactions enzymatiques et compatibles avec les phénomènes à étudier.

De façon plus générale, une extension de cette chimie dite bio-sélective consiste à utiliser les spécificités biologiques pour stimuler une réaction chimique, tels que l'acidité tumorale pour l'hydrolyse de prodrogues, le glutathion ou les ROS pour le milieu hypoxique... Pour ces domaines les avancées futures reposeront sur la capacité du chercheur à optimiser la réactivité chimique dans des milieux biologiques complexes voire sur des modèles pathologiques. Dans ce contexte, des efforts importants de recherche transdisciplinaire doivent être menés.

Dans la mouvance de la chimie bioorthogonale et biospécifique (cf. bioconjugaison), la chimie in vivo est un axe de recherche qui connaît depuis quelques années un essor considérable. Il porte sur l'utilisation de réactions, de réactifs, de catalyseurs synthétiques pour l'étude et la manipulation du vivant. Parmi les réalisations emblématiques pour lesquelles ce type de chimie a été le moteur vers une rupture conceptuelle, on peut notamment citer le marquage métabolique, l'activity based protein profiling (ABPP) in vivo, l'identification de cibles, ou encore le relargage chémo-induit de molécules thérapeutiques (systèmes programmés) ou diagnostiques (smart probes) ou pré-ciblées.

La chimie in vivo en est à ses balbutiements, et les perspectives de développement de nouvelles technologies dans le domaine biomédical qu'elle laisse entrevoir, suscitent un vif intérêt des sociétés pharmaceutiques. Il s'agit indéniablement d'un des moteurs du renouveau de la chimie. Cependant un aspect primordial de la chimie in vivo concerne la prise en compte des contraintes biologiques lors du design et de l'optimisation des réactions chimiques et des sondes. Cela nécessite idéalement une intégration parfaite des activités de chimie et de biologie au sein d'équipes réellement multidisciplinaires et requiert l'utilisation d'un large éventail de technologies en chimie, biologie, imagerie et analyse.

On peut remarquer que si la recherche française est relativement active sur les aspects de ligation chimique et de chimie bioorthogonale qui ne nécessitent pas une telle intégration, il y a symptomatiquement peu de réalisations dans le domaine de la chimie in vivo.