Synthèse et optimisation d'inhibiteurs spécifiques de ERK3 pour le développement d'une thérapie ciblée au cancer du sein triple-négatif

Problématique : Le cancer du sein est un des types du cancer les plus diagnostiqués au Canada et il est une cause majeure de mortalité liée au cancer chez la femme. Le cancer du sein triple négatif (CSTN) a un mauvais pronostic dû à son agressivité clinique et à l’absence de réponse aux traitements habituels du cancer du sein tels que l’hormonothérapie et l’inhibition de HER2. En ce moment, les avancées pour le CSTN restent très négligeables. Il y a un besoin urgent d’identifier une nouvelle thérapie qui ciblerait les voies signalétiques pro-métastatiques du cancer du sein triple négatif et ainsi, bloquer idéalement la prolifération et la dissémination métastatique des cellules cancéreuses. Cadre conceptuel : Dernièrement le laboratoire de Sylvain Meloche à l’IRIC a montré qu’une déplétion génétique de ERK3 (Extracellular Regulated Kinase 3) inhibe la croissance des tumeurs mammaires dans un modèle de souris de CSTN et bloque la progression métastatique. Ainsi, suite à ces résultats, nous avons émis l’hypothèse que l’inhibition de ERK3 à l’aide de molécules engendrerait une diminution de la prolifération cellulaire au niveau du cancer du sein triple négatif. L’objectif principal du projet est de développer des molécules ayant des propriétés inhibitrices de ERK3 in vitro. Les deux objectifs secondaires sont d’évaluer leur potentiel d’inhibition vis-à-vis ERK3 dans des modèles in cellulo et de confirmer, parallèlement à la relation structure-activité (SAR), leur mode de liaison par des méthodes computationnelles. Méthodologie : Des composés tête de série ont été identifiés à la suite d’un criblage à haut débit d’une librairie d’inhibiteurs de kinases. Quelques composés intéressants démontrent une activité dont les IC50 (concentration inhibant 50% de l’activité de la kinase) sont inférieurs à 300 nM. Une molécule en particulier a été retenue compte tenu de son niveau d’activité et de sélectivité par rapport aux autres kinases. Une modification systématique des groupements fonctionnels lors de la synthèse d’analogues nous permet d’établir de façon claire le mode de liaison et ainsi, établir la SAR de notre composé tête de série et le site de liaison de ERK3. Les tests d’inhibition compétitifs in vitro seront effectués à l’IRIC à partir de la protéine ERK3 purifiée. Grâce à la SAR établie, on poursuit l’optimisation avec l’intégration de groupements moléculaires solubilisants qui vont permettre d’augmenter les propriétés pharmacocinétiques et ainsi, augmenter l’activité cellulaire de notre composé tête de série. En dernier lieu, à l’aide de la modélisation computationnelle, le mode de liaison de la molécule à ERK3 sera élucidé de façon à confirmer la SAR et aussi, permettre le développement de nouvelles structures (ex : bioisotères) pouvant avoir aussi une activité inhibitrice sur ERK3. Résultats : Une SAR étendue basée sur l’inhibiteur sélectionné a été obtenue. Un inhibiteur de ERK3 possédant une puissance cellulaire (IC50) de 2 μM a été synthétisé. Retombée scientifique : Les travaux effectués dans le cadre de ma maîtrise pourraient conduire au développement de nouveaux traitements pour le cancer du sein triple négatif en ciblant les voies de signalisation prométastatiques à l’aide de molécules inhibitrices.Problem: Breast cancer is one of the most diagnosed type of cancer in Canada and it is a major cause of mortality linked to cancer for women. Triple-negative breast cancer (TNBC) is the form with the worse prognostic compared to the other forms of breast cancer due to clinical aggressiveness and the absence of response to conventional hormonal therapy and HER2 inhibition therapy. At this time, therapeutic advances for TNBC remain very negligible, which testifies to a need for a new therapy that would target the prometastatic signaling pathways of triple negative breast cancer and thus, ideally block the proliferation and the metastatic dissemination of cancer cells. Conceptual Basis: Recently, Sylvain Meloche's laboratory at IRIC showed that genetic depletion of ERK3 (Extracellular Regulated Kinase 3) inhibits the growth of mammary tumors in a TBNC mouse model and blocks metastatic progression. Thus, in view of these results, our hypothesis is that the inhibition of ERK3 using a specific inhibitor would cause a decrease in cell proliferation in triple negative breast cancer. The main objective of my project is to develop small molecules with inhibitory properties of ERK3 in vitro. The two secondary objectives are to evaluate their inhibitory potential toward ERK3 in cellulo models and to confirm, alongside the structure-activity relationship (SAR), the binding mode of inhibitors to ERK3 by computational methods. Methodology: Lead compounds have been identified following a high-throughput screening of a kinase inhibitor library. A few interesting compounds emerged with activities below 300 nM (IC50). One molecule in particular was chosen given its good selectivity as well as an acceptable inhibitory activity. Systematic modification of functional groups for analogs synthesis allows us to clearly establish the binding mode and thus, establish the SAR of our lead compound. The competitive inhibition tests in vitro have been carried out at IRIC using purified ERK3. With the established SAR, optimization is continued with the integration of solubilizing molecular groups which will increase the pharmacokinetic properties and thus increase the cellular activity of our lead compound.7 Finally, with the help of computational modeling, the binding mode of the molecule to ERK3 will be elucidated to confirm the SAR and also, allow the development of new structures (i.e. bioisosters) that can have an inhibitory activity on ERK3. Results: An extensive SAR of the inhibitor is obtained. A compound with 2 μM activity (IC50) on ERK3 in cell has been synthesized. Scientific outlook: The work done as part of my master's degree could lead to the development of a new treatment for triple-negative breast cancer by targeting prometastatic signaling pathways using small inhibitory molecules