Pour mettre au point de futurs médicaments contre les leucémies : couplage conception informatique / biologie structurale

La leucémie aigüe lymphoblastique T est connue pour son taux élevé de rechute et sa résistance aux traitements standards, limitant considérablement les chances de survie des patients à long terme. Une équipe de chercheurs du Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille a développé un candidat-médicament, par conception moléculaire à partir de la structure tridimensionnelle d’une enzyme appelée déoxycytidine kinase, ou dCK. Dans leur étude, cette protéine a été ciblée à cause de son rôle récemment identifié dans le développement de ce type de cancer.

Les leucémies aigües lymphoblastiques T (LAL-T) présentent de nombreux cas de rechute et de résistance après le traitement standard, avec un pronostic de 5% de survie à 5 ans. Il est donc nécessaire de proposer des thérapies innovantes. La prolifération incontrôlée des cellules lymphoïdes T cancéreuses implique que les différents composants pour fabriquer ces cellules, et notamment l’ADN, doivent être produits en grande quantité, ce qui entraîne une forte demande métabolique. La synthèse d’ADN est assurée par deux voies : la voie principale de synthèse dite ‘de novo’ et une voie secondaire de recyclage dite ‘de sauvetage’, à laquelle participe l’enzyme déoxycytidine kinase (dCK). Ainsi, dCK est récemment apparue comme une cible d’intérêt lorsque l'on souhaite limiter la prolifération des cancers dépendant de cette voie de sauvetage.

Les scientifiques des équipes de recherche de Xavier Morelli et Patrice Dubreuil du Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille ont découvert un médicament potentiel ciblant dCK, à l’aide d’une stratégie qui réunit méthodes computationnelles et expérimentales. Elle s’appuie sur la conception de molécules actives assistée par ordinateur à partir de la structure atomique de la cible, couplée à la synthèse chimique et à des validations biologiques in vitro, sur cellules et chez la souris.

Dans une étude précédente, les scientifiques avaient identifié dCK comme la cible secondaire d'un médicament nommé masitinib, déjà utilisé dans le traitement de certaines tumeurs. Le masitinib agit en inhibant l’action des enzymes de la famille des kinases. Dans ce nouveau travail, ils ont émis l'hypothèse qu'un niveau accru d'interaction entre le masitinib et dCK pourrait déclencher l'inhibition de l'enzyme et avoir pour conséquence une action sur la synthèse d’ADN, et la prolifération des cellules cancéreuses.

Ils ont donc appliqué au masitinib une approche de conception de molécules bioactives appelée DOTS (Diversity-oriented target-focused synthesis). Elle a pour but d'augmenter la complémentarité et donc la force de l'interaction entre les molécules développées et la cible biologique – ici dCK. Au cours de ce travail de conception, ils ont analysé plus de 1000 molécules potentielles, puis synthétisé et évalué une sélection de 74 composés.

Le mode d’interaction entre la cible dCK et les petites molécules a pu être étudié à l’échelle atomique en mesurant la diffraction des rayons X sur des cristaux de la protéine cible en complexe avec les molécules candidates. Les connaissances acquises sur les lignes de lumière PROXIMA-1 et PROXIMA-2 ont ainsi permis de proposer des modifications rationnelles sur la structure des molécules testées, pour les rendre plus efficaces. Après plusieurs cycles d’optimisation, ils ont obtenu un candidat médicament appelé OR0642, 1000 fois plus puissant que la molécule initiale, le masitinib.

Figure 1 : Campagne d’optimisation des molécules. Corrélation entre l’effet des molécules sur l’inhibition de la prolifération cellulaire d’un modèle in vitro de leucémie (mesure de l’IC50) et l’affinité sur dCK mesuré par la technique de dosage de décalage thermique (mesure du ΔTm par TSA).  Les molécules avec des modifications clés du processus d’optimisation sont représentées par des symboles de couleur. Le composé OR0642 (cercle violet en bas à droite) montre à la fois une forte affinité avec dCK (ΔTm élevé) et une efficacité sur la prolifération cellulaire même s’il est utilisé en petite quantité (faible IC50).

 

Figure 2 : Structure cristalline de dCK en complexe avec la molécule OR0642 permettant de déterminer son mode de liaison. Les interactions par liaison hydrogène entre la molécule OR0642 (magenta) et les acides aminés de la protéine dCK (gris) sont représentées par des lignes pointillées. Les cartes de densité électronique observées autour de la molécule sont représentées à droite (2FoFc et ligand omis (Omit)).

 

En combinaison avec de la thymidine, un inhibiteur physiologique déjà connu de la voie de synthèse de l’ADN ‘de novo’, le composé dit ‘tête de série’, OR0642, inhibe dCK et la voie de synthèse ‘de sauvetage’. L’effet espéré sur les modèles cellulaires est confirmé et les souris greffées avec des cellules tumorales de patients atteints de LAL ayant bénéficié de cette thérapie ont doublé leur taux de survie.  Cette thérapie fait appel au concept de létalité synthétique où seule la combinaison de deux molécules ciblant sélectivement ces deux voies est toxique pour les cellules tumorales. Ce résultat démontre la preuve de concept de cette stratégie de conception moléculaire assistée par ordinateur et son potentiel thérapeutique dans un cancer particulièrement agressif.

Figure 3 : Effet des traitements sur le développement de la leucémie chez la souris modèle. La thérapie combinée avec ORO642 et la thymidine (dT) réduit considérablement la croissance des cellules cancéreuses dans les souris atteintes de leucémie 21 jours après la greffe (NI : souris non injectées, non malades). Cette expérience compare la prise indépendante des traitements et la thérapie combinée prouvant un mécanisme fonctionnel dit de léthalité synthétique.

 

Dans l'ensemble, cette étude démontre une approche innovante de conception de médicaments, où le repositionnement d'un médicament (masitinib) sur une nouvelle cible (dCK) peut être utilisé comme point de départ d'une approche semi-automatisée de conception de médicaments qui pourrait être appliquée à d'autres cibles, en cancer ou pour d'autres pathologies. De plus, l’équipe de chercheurs continue le travail d’optimisation d’ORO642 pour transformer ce ‘prototype’ en un médicament potentiel avec administration par voie orale et aussi trouver d’autres applications dans des maladies où dCK joue un rôle important.

Ces travaux sont publiés dans le journal Nature Communications.