Multiphotonic study of a new NADPH-derivative compound targeting NO-synthase

In this study, we introduced a NADPH derivative named as Nanoshutter (NS). NS was designed to inhibit the catalytic activity of NOS, i.e. synthesis of NO, by occupying the NADPH site in the reductase domain of NOS. In mammals, NO participates in extensive physiological/pathological processes in the cardiovascular, nervous and immune systems. The pathway of mammal NO synthesis is the oxidation of L-arginine catalyzed by NOS, which occurs in its oxygenase domain. The catalysis requires three co-substrates (L-arginine, NADPH, and O2) and five cofactors groups (FAD, FMN, calmodulin, BH4 and heme). Guided by molecular modeling, the structure of NS contains two conjugated subunits: (i) the nucleotide recognition motif of NADPH was retained in NS, allowing a proper targeting to the NADPH binding site of NOS- (ii) the nicotinamide moiety of NADPH is replaced by a stilbene moiety linked with a terminal electron acceptor group, preventing electron flow from the reductase to the oxygenase domain of NOS. Furthermore, this moiety is characterized by a large two-photon absorption cross-section (130 at 840 nm). NS1, the first compound of the NS family, contains a NO2 terminal group as an electron acceptor group. NS1 displayed distinct fluorescence properties in its free and NOS-bound states. The Kd value (around 4.2 µM) was estimated in titration experiments performed under one- or two-photon excitation conditions, suggesting an effective binding of NS1 to NOS with a good affinity. Surprisingly, in terms of fluorescence quantum yield, NS1 displayed a good selectivity to the NOS isoforms over other proteins which contain or not a NADPH binding site. Furthermore, NS1 was shown to competitively inhibit nNOS in a dose-dependent manner. In fluorescence imaging experiments with endothelial cells (HUVEC), NS1 displayed a rapid and efficient internalization, with highlighted fluorescence signal at the perinucleus region and sporadic signal at the plasma membrane. This observation was in accordance with the colocalization imaging between NS1 and eNOS as shown by immunostaining, showing that NS1 actually targets eNOS in endothelial cells. The expected NO-dependent vasoconstriction in isolated mouse aortic rings was only evidenced in the presence of catalase, which converts H2O2 into H2O and O2. By contrast, in the absence of catalase, a contradictory vasorelaxation was observed. This result indicates that NS1 may target more than NOS in endothelium system, which is (are) likely related to Reactive Oxygen Species (ROS) production. Accordingly, NS1 led to a biphasic response of ROS production in HUVEC cells: An increasing phase occurred at low NS1 concentration (below 2 µM) and followed by a decreasing phase (ROS inhibition) at higher NS1 concentrations. Furthermore, NS1 was shown to inhibit O2- production in mouse macrophages and H2O2 and O2- production in uncoupled nNOS in vitro. Altogether, the possible but not exclusive explanations for current data are: in addition to its inhibition effect on NO production, NS1 probably also inhibits the ROS production either produced by NADPH Oxidase or by electron leakage from uncoupled NOS, or a combination of both. The origin of the increasing phase remains more elusive but could correspond to the targeting of glucose-6-phosphate-dehydrogenase (G6PD). Additionally, NS1 displayed anti-angiogenesis effect on endothelial cells and prevented proliferation of melanoma. In conclusion, NS1 fulfilled the goal as a new NOS inhibitor targeting the reductase domain and displayed a unique two-photon property in vitro and in vivo, these features may provide a promising future for non-invasive real-time imaging, and to potential clinical applications in the NO-dependent diseases.Dans cette étude, nous avons développé un composé dérivé du NADPH, nommé Nanoshutter (NS). NS a été conçu pour inhiber l'activité catalytique de la NOS, c'est à dire la synthèse de NO, en occupant la place du NADPH dans le domaine réductase du NOS. La voie de synthèse de NO chez les mammifère correspond à l'oxydation de la L-arginine catalysée par la NOS, qui se produit dans son domaine oxygénase. Basée sur des données de modélisation moléculaire, la structure de NS est composée deux sous-unités: (i) le motif nucléotidique de reconnaissance du NADPH a été retenu, permettant au composé NS un ciblage approprié du site de liaison au NADPH de la NOS, (ii) le motif nicotinamide de NADPH a été remplacé par un groupe stilbène lié à un groupement terminal accepteur d'électrons. De plus, ce fragment est caractérisé par une très bonne section efficace d'absorption à deux photons (130 GM à 840 nm). NS1, le composé prototype de la famille NS, contient un groupe terminal NO2 en tant que groupe accepteur d'électrons. La valeur de Kd (~ 4,2 µM) a été estimée dans des expériences de titrage sous excitation un- ou deux-photons, et suggère une bonne affinité de liaison de NS1 à la NOS. De façon inattendue, NS1 présente une bonne sélectivité, en terme de rendement quantique de fluorescence, pour les isoformes de NOS par rapport à d'autres protéines qui contiennent ou non un site de liaison NADPH. En outre, il a été montré que NS1 inhibait de façon compétitive NOS par rapport au NADPH. Dans les expériences d'imagerie de fluorescence réalisées sur des cellules endothéliales (HUVEC), NS1 a démontré une internalisation rapide et efficace, avec un signal de fluorescence mis en évidence principalement dans la région périnucléaire, accompagné d’un signal plus sporadique à la membrane plasmique. Cette observation est en parfait accord avec la colocalisation de NS1 et eNOS mesurée par immunomarquage, démontrant ainsi que NS1 cible eNOS dans les cellules endothéliales. La vasoconstriction NO-dépendante attendue dans les anneaux aortiques isolés de souris a été montrée, mais uniquement en présence de catalase qui convertit H2O2 en H2O et O2. En revanche, en l'absence de catalase, la vasorelaxation a plutôt été observée. Ce résultat indique que la NOS n’est très certainement pas l’unique cible de NS1 dans le système endothélial, et que d’autres cibles en rapport avec la modulation de ROS (Reactive Oxygen Species) sont impliquées. En accord avec ce résultat, NS1 provoque une réponse biphasique de la production de ROS dans les cellules HUVEC : Une phase d'augmentation est observée aux faibles concentrations de NS1 (en dessous de 2 µM), suivie d'une diminution (inhibition de ROS) pour des concentrations de NS1 plus élevées. En outre, NS1 inhibe la production de O2- dans les macrophages de souris et les productions de H2O2 et de O2- survenant dans des conditions de découplage de nNOS in vitro. Des explications possibles pour interpréter ces données sont: NS1 probablement inhibe la production de ROS, soit produites au niveau de la NADPH oxydase ou (et) au cours du découplage de la NOS. L'origine de la phase d’augmentation reste plus difficile à interpréter, mais pourrait correspondre au ciblage de la glucose-6-phosphate deshydrogénase. Enfin, NS1 exerce un effet anti -angiogénique sur les cellules endothéliales et empêche la prolifération de cellules du mélanome. En conclusion, NS1 rempli l'objectif principal de cibler et inhiber la NOS en ciblant plus particulièrement le domaine réductase - il est aussi caractérisé par des propriétés d’absorption et de fluorescence à deux photons intéressantes permettant des applications in vitro et in vivo. L’ensemble de ces caractéristiques présentent un profil intéressant pour de futures applications d’imagerie en temps réel et non-invasive, avec également un fort potentiel pour des applications cliniques liées aux maladies NO-dépendantes