Research of novel arginase inhibitors from natural and semisynthetic origins, inspired by chlorogenic acid and piceatannol.

L’inhibition de l’arginase a été montrée pour le traitement de la dysfonction endothéliale dans plusieurs pathologies. Des inhibiteurs sont actuellement commercialisés (nor-NOHA, ABH et BEC) mais en dépit de leur potentiel, ils sont incompatibles avec un usage médical per os. L’obtention de nouveaux inhibiteurs reste donc un challenge pour le développement de candidats médicaments. La source naturelle et la voie hémisynthétique notamment, restent encore des axes peu explorés. Visant d’abord le développement d’un test fiable et reproductible pour l’évaluation de la capacité inhibitrice de molécules, nous avons optimisé un test existant et mis en place un essai colorimétrique miniaturisé et partiellement automatisé, utilisant une arginase mammifère commerciale, purifiée de foie de bœuf. Ce test a été validé via l’utilisation d’inhibiteurs de référence (CI50 : nor-NOHA 1,7 μM / BEC 3,3 μM), avant d’être utilisé pour l’évaluation biologique d’une série de polyphénols naturels, mettant en évidence les potentialités inhibitrices de l’acide chlorogénique (acide caféoylquinique / CI50 10,6 μM) et du picéatannol (stilbène / CI50 12,1 µM). Des études de cinétique enzymatique ont montré que l’inhibition était réversible et compétitive tandis que des études de docking moléculaire ont montré l’intérêt de la partie caféique pour l’activité inhibitrice. Nous nous sommes alors focalisés sur l’obtention de dérivés d’hémisynthèse. Dix-neuf dérivés dérivés cinnamides ont été préparés ainsi qu’une série de cinq composés esters. Les études de relation structure-activité ont montré le rôle important du groupement catéchol pour l’activité de ces molécules. Le composé (E)-N-(2-phényléthyl)-3,4-dihydroxycinnamide ou « caffeic acid phenyl amide » (CAPA) a présenté la meilleure activité (CI50 6,9 μM). C’est un inhibiteur réversible et compétitif de l’arginase étudiée et ses études de docking avec le site catalytique de l’enzyme ont confirmé les interactions du catéchol avec des résidus conservés du site actif et les ions manganèse. La préparation des dérivés de stilbènes cibles n’a pas été couronnée de succès mais grâce à des collaborations, deux stilbènes naturels, l’astringine et le picéide, ainsi qu’une série de stilbénoïdes synthétiques ont pu être évalués. Cependant, aucun de ces composés n’a révélé d’activité intéressante.Finalement, notre projet de thèse a mis en évidence les activités prometteuses de deux composés naturels, l’acide chlorogénique et le picéatannol, ainsi que celle d’un composé hémisynthétique dérivés cinnamide de l’acide caféique (CAPA). Ces molécules ont en commun, au niveau structural, la présence d’une partie 3,4-dhydroxycinnamique (caféoyle), révélant l’intérêt de ce motif pour la conception d’autres molécules à capacité inhibitrice d’arginase. Ces résultats obtenus in silico et in vitro sur l’arginase bovine b-ARG I devront être confirmés sur l’arginase humaine h-ARG avant d’envisager d’éventuelles études in vivo pour ces candidats-médicaments potentiels.Inhibition of the enzyme arginase has been shown its evidences for the treatment of endothelial dysfunction in several pathologies. Some arginase inhibitors are currently being marketed (nor-NOHA, ABH and BEC) but despite their potency, they are incompatible with an oral administration. Research of new arginase inhibitors remains a challenge for the development of drug candidates. Natural source and semisynthetic compounds, in particular, still remain widely unexplored avenues.Firstly focusing on development of a reliable and reproducible in vitro assay for evaluation of arginase inhibitory capacity of molecules, we optimized a previously published protocol, which resulted in a colorimetric, miniaturized and partially automated assay by using a commercial mammalian arginase, purified bovine liver arginase (b-ARG I). This test was validated by evaluating the reference inhibitors (IC50: nor-NOHA 1.7 µM / BEC 3.3 µM). Then we used it for the biological evaluation of a series of natural polyphenols. The most active compounds were chlorogenic acid (caffeoylquinic acid / IC50 10.6 µM) and piceatannol (stilbene / IC50 12.1 µM). Enzyme kinetic studies showed that the inhibition mechanism of these two polyphenols was reversible and competitive, whereas molecular docking studies demonstrated the importance of caffeic moiety for the inhibitory activity. We then continued on synthesis and biological evaluation of semisynthetic derivatives, which were inspired by natural arginase inhibitors. Nineteen cinnamide derivatives and a series of five ester compounds were prepared. Structure-activity relationships (SARs) have shown the important role of catechol group for arginase inhibitory activity of these molecules. The compound (E)-N-(2-phenylethyl)-3,4-dihydroxycinnamide or "caffeic acid phenyl amide" (CAPA) showed the best activity (IC50 6.9 µM). This compound was characterisized as a reversible and competitive inhibitor of arginase by enzyme kinetics. Docking studies suggested several interactions between catechol function of CAPA with crucial residues of the arginase active site and manganese ions. The preparation of stilbene derivatives was not successful during this work. However thanks to collaborations, two natural stilbenoid glucosides (astringin and piceid), as well as a series of synthetic stilbenoid derivatives were evaluated for their arginase inhibition. Nevertheless, none of these stilbenoids has revealed an interesting activity.Finally, our thesis project showed potential arginase inhibitory activity of two natural compounds, chlorogenic acid and piceatannol, as well as a semisynthetic cinnamide derivative (CAPA). Considering their structures, these molecules have the presence of 3,4-dihydroxycinnamoyl (caffeoyl) moiety in common, revealing the importance of this moiety for the design of new arginase inhibitors. The results obtained from in silico and in vitro studies on bovine arginase (b-ARG I) should be confirmed on human arginase assay, before being evaluated in in vivo models for the druggable candidates