Synthesis of multi-target directed antidotes against poisoning by organophosphorus nerve agents

Les neurotoxiques organophosphorés (OP) sont des inhibiteurs irréversibles de l’acétylcholinestérase (AChE), enzyme clé permettant la terminaison de l’influx nerveux par hydrolyse du neurotransmetteur acétylcholine (ACh). Une intoxication par ces OPs provoque l’accumulation de l’ACh et l’hyperstimulation des récepteurs muscariniques (mAChR) et nicotiniques (nAChR), provoquant de nombreux symptômes pouvant aller jusqu’à la mort par arrêt respiratoire. Malgré la ratification par quasiment tous les pays du globe de la convention d’interdiction des armes chimiques, les attaques perpétrées avec ces composés durant la dernière décennie ravivent la crainte de nouvelles menaces chimiques futures. En outre, les produits phytosanitaires à base d’OP sont responsables de centaines de milliers d’intoxications chaque année dans le monde rural. Le traitement actuel repose sur le diazepam (anticonvulsant), l’atropine, un antagoniste des mAChRs limitant leur stimulation, et un réactivateur de l’AChE, permettant de rendre l’enzyme de nouveau fonctionnelle. Les réactivateurs utilisés actuellement, mono- et bis-pyridiniums aldoxime, possèdent deux défauts majeurs : l’incapacité à traverser efficacement la barrière hémato-encéphalique (BHE) et une efficacité très inégale sur les différents OPs. De nouvelles molécules réactivatrices universelles et aptes à traverser la BHE sont donc au cœur des recherches sur le sujet. Mais le traitement des récepteurs nicotiniques, encore non traités, commence aussi à être un sujet d’intérêt, avec comme objectif une synergie bénéfique des effets thérapeutiques produits avec les autres molécules du cocktail médicamenteux. Au cours de cette thèse, trois réactivateurs non chargés prometteurs basés sur la fonction réactivatrice 3-hydroxy 2-pyridine aldoxime ont été synthétisés pour poursuivre leur évaluation in vivo. Un de ces réactivateurs a démontré un passage efficace de la BHE et des indices de protection proches de ceux de l’obidoxime. Il présentait aussi un caractère antagoniste compétitif envers les nAChR. Dans cette continuité, trois antidotes multi-cibles (MTDA), à la fois réactivateurs de l’AChE et antagonistes des nAChRs, ont été synthétisés, avec un ammonium quaternaire comme ligand des deux cibles. Un de ces composés inédits a démontré une réactivation in vitro quasi-universelle de l’AChE et de la butyrilcholinestérase inhibées par le VX, le sarin, le tabun et le paraoxon, avec des efficacités largement supérieures aux oximes de référence, ainsi qu’un antagonisme accentué vis-à-vis des nAChRs musculaires et α7. L’étude de la littérature a également identifié les modulateurs allostériques positifs (PAM) et négatifs (NAM) comme des molécules prometteuses pour réguler l’activité des nAChRs en cas d’intoxication. Trois autres MTDA ont donc été conçus en liant la fonction réactivatrice à des structures sélectionnées de PAM et de NAM. Deux de ces composés ont été synthétisés avec succès et un intermédiaire avancé a été obtenu pour le troisième.Organophosphorus nerve agents (OP) are irreversible inhibitors of acetylcholinesterase (AChE), a key enzyme enabling the ending of the nervous impulse thanks to the hydrolysis of the neurotransmitter acetylcholine (ACh). OP poisoning leads to the accumulation of ACh and the overstimulation of the muscarinic (mAChR) and nicotinic (nAChR) receptors, causing numerous symptoms that can lead to death by respiratory failure. Despite the ratification by almost all countries worldwide of the convention banning chemical weapons, the attacks using these compounds committed during the last decade is reviving the fear of future chemical threats. Moreover, the plant protection products containing OP compounds are responsible for hundreds of thousands of poisonings each year in rural areas. Nowadays, medical countermeasure against OP poisoning are based on diazepam (anticonvulsant), atropine, which is a mAChR antagonist reducing its stimulation, and a reactivator of AChE, for restoring its proper fonctioning. The actual reactivators, mono- and bis-pyridinium aldoxime, have two major limitations : they do not readily cross the blood brain barrier (BBB) and have not a broad spectrum efficacy against OPs. New broad spectrum molecules able to cross the BBB are thus the focus of this research area. But the development of nicotinic receptors treatment is gaining interest to reduce its stimulation by ACh and to provide a beneficial therapeutic synergistic effect with the other molecules of the drug cocktail. In this PhD, three promising uncharged reactivators based on the reactivating function 3-hydroxy 2-pyridine aldoxime have been synthesized for further in vivo evaluation. One of these reactivators showed an effective crossing of the BBB and a protection against OP poisoning close to those of obidoxime. It had also a competitive nAChR antagonist effect. Following up on this, three multi-target directed antidotes (MTDA), reactivators of the AChE and competitive antagonists of nAChRs at the same time, have been synthesized, including a quaternary ammonium as ligand of both targets. One of these original compounds has showed in vitro an almost broad spectrum reactivation of both AChE and butyrilcholinesterase inhibited by VX, sarin, tabun and paraoxon, with far superior efficiencies to those of the reference oximes, along wih an increased antagonism against muscular and α7 nAChRs. The literature review has also identified positive (PAM) and negative (NAM) allosteric modulators as promising molecules to regulate the nAChR activity during an intoxication. Thus, three other MTDA have been designed in binding the reactivating function to selected PAM and NAM structures. Two have been synthesized and an advanced intermediate has been obtained for the third