complexes métalliques et bio-inspirationgics.fr/media/files/diapos_policar.pdf06/11/2018 2 les...

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Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules

Marseille

Clotilde Policar Département de Chimie de l’ENS, Laboratoire des BioMolécules (LBM) UMR7203, Sorbonne Université

Complexes métalliques et bio-inspiration

Opéra2onE2ncellesConférenceorganiséeparleGICS–grouped’ini2a2veculturelleetscien2fique


H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Lantha-nides Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Acti-nides Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og

Lanthanides La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Actinides Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

La chimie organique est définie au XIXe comme la chimie des corps organisés (=vivants) Alors … la chimie INorganique est celle du non-vivant…

Les métaux en biologie

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Qu’est-ce qu’un métal ?

Μέταλλον (grec) ou metallum (latin): mine, tranchée

H He

Li Be B C N O F Ne






Lanthanides La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Actinides Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Galene Copeau métallique Des cations métalliques en solution aqueuse Amethyste



Pb (Sb)

Hg

As

Au

Pt Fe, Zn, Cu

Des dérivés métalliques sont utilisés dans la pharmacopée depuis des siècles


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Les cations métalliques sont-ils des constituants endogènes ?

JulesRaulin,1836-1896

Metals in Biology

Caractèreindispensabledeselsdezincdanslacroissance

d’unemoisissure(1869)



Elé

ments

Date d'établissement de

l'essentialité chez l'homme

Fer

Fe

fin XIXe

Iode I

1850

Cuivre

Cu

1928

Manganèse

Mn

1931

Zinc

Zn

1934

Cobalt

Co

1935

Molybdène

Mo

1953

Sélénium

Se

1957

Chrome

Cr

1959

Etain

Sn

1970

Vanadium

V

1971

Fluor

F

1972

Silicium

Si

1972

Nickel

Ni

1973

Arsenic

As

1975

Dates de découvertes de l’essentialité des métaux chez l’Homme

Klauss Schwarz (1914-1978)


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E. Frieden, J. Chem. Ed. 1985, 62, 917-923

mol

Les cations métalliques s’accumulent dans les organismes vivants

Table extraite de P.C. Wilkins, R.G. Wilkins, Inorganic chemistry in biology, Oxford, 1997

Elémentscons2tu2fs

Elémentstraces

Elémentsultratraces

Concentra2on(mM)dansl’eaudemeretleplasmasanguin

Eaudemer Plasma

Cations métalliques

Metals in Biology Les métaux en biologie


Mn

Zn

Fe

Les oligoéléments dans le tableau périodique

Cu

Metals in Biology

H He

Li Be B C N O F Ne






Lanthanides La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actinides Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr


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H He

Li Be B C N O F Ne






Lanthanides La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actinides Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

CrII

CrIII

(CrIV)

(CrV)

CrVI

Cr0

MnII

MnIII

MnIV

MnV

MnVI

MnVII

(MnI)

Mn0

FeII

FeIII

FeIV

FeV

FeVI

(FeI)

Fe0

CoII

CoIII

CoIV

(CoI)

Co0

VII

VIII

VIV

VV

(VI)

V0

NiII

NiIII NiIV

(NiI)

Ni0

CuII

CuIII

(CuIV)

CuI (Cu0)

ZnII

(ZnI)

© Andrew Lambert Photography / Science Photo Library

Metals in Biology

Des espèces chargées avec nombreux degrés redox accessibles

Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Zn2+:unseuldegréredox,outrelaformemétal(0)

Des effets de charges (électrostatiques), de riches possibilités d’échanges d’électrons, des liens entre géométrie et degré redox



Produit

Substrat

Substratac2vé

Des structures dynamiques : un intérêt en catalyse


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Bio-inspirés ? Bio-motivés ?

Planeur de Lilienthol 1853

Avion Blériot 1909 Idea from B.L. Feringa, Conf. Nobel 2016

Gustave Trouvé, 1870, first jump (70 m)

Ornithopter Leonardo da Vinci ca. 1485



Produire sans polluer

Diagnostiquer et soigner

Metals in Biology

Energie

Améliorer notre vie quotidienne en nous inspirant de la nature ?

Fe

Fe


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2O2. — + 2H+ O2 + H2O2

kspont.pH7= 6.0 105 mol-1Ls-1

Les superoxyde-dismutases sont des métalloenzymes très efficaces

Superoxyde dismutases: Mn, Fe, Cu ou Ni pour une même fonction

M = Cu(Zn), Fe, Mn, Ni

Mn+ M (n-1)+

O2 O2 —

H2O2 O2 — + 2H+

kcat= 109 mol-1Ls-1

Mécanisme simplifié de type « ping-pong

Notre objectif : reproduire la fonction de ces enzymes par de petites molécules dites MIMES de SOD

Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules


Des molécules mimes d’anti-oxydants pour lutter contre l’inflammation

Diaposi2ved’EmilieMathieu


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E=0.19V/SCE (Activité ca 1% de celle de l’enzyme of Synthèse aisée et structure modulable)

N N

N

N

N NMnII

H

O

0.36V/NHE 0.12V/SCE

Mn+ /M (n-1)+

SODs (Cu(Zn), Fe and Mn)

MnSOD mitochondriale humaine Borgstahl et al., Cell, 1992,171,120

C. Policar, Mimicking SODs, Why and How: Bio-Inspired Manganese Complexes as SOD Mimics n: Redox Active Therapeutics, Springer, 2016, 125-164 Pdf available upon request: [email protected]


Prendre les SODs comme modèles : les complexes mimes de SODs

D’après Magritte, « La clairvoyance » 1936


NNN

N

N

N

O

HMn

+

Mn1

Un mime de SOD capable de réduire les marqueurs de l’inflammation dans un modèle cellulaire développé au laboratoire

LPS - + + +

100µM

Mn1

MnCl2

Inflammation (HT29-MD2)

ROS

MICI: Microbiote

ROS Cellules épithéliales

-pathologies invalidantes -1 % de la population -Crises et rémissions tout au long de la vie -Des défenses anti-oxydantes affaiblies

inflamma2on

O2�− SOD

E. Mathieu, A.-S. Bernard et al., Inorganic Chemistry 2017 , 2545-2555

Les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin

A.S. Bernard E. Mathieu


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HT29MD2:lignéedecellulesépithélialesintes2naleshumainesCellulesauseindesquellesonpeutac2verlestressoxydant……etvoirsiceseffetssontréduitsparnosmolécules….

LPS ROS Interleukine8(IL8)

Ac6va6on Espècesoxydantes Marqueursdel’inflamma6on

LPScomplexe

Surnageant:IL8(ELISA)

10µm

Mais en pratique, comment fait-on ?



Le vivant est fait de compartiments plus ou moins étanches, comme un sac est fait de multiples poches : les organes à l’échelle du corps, les organelles dans les cellules.

Imager dans des cellules

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Coll. B. Lay, APS, Argonne 2-ID-D/E beamline

for micro-Xfluorescence

Trois cellules différentes Incubées avec: — Mn1 MnCl2

Une échelle qualitative

Imagerie sub-cellulaire d’un mime de SOD : imager directement le Mn

Incubation avec Mn1, 100 µM, 2h, cryofixation et lyophilisation

Imagerie de fluorescence-X : K et Mn (noir < rouge)

E. Mathieu, A.-S. Bernard et al., Inorganic Chemistry 2017 , 2545-2555



*42 spe ctra: Moyenne

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

Log(

1/R

)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Nomb re d 'ond e (cm-1)

ν OHνNH

νCHCH3CH2

C=OEstersAcids

νCHC=C-H

Proteinamidesregion

AmideIC=O+C-N

AmideIIN-H+C-N

δCHCH3CH2

COOHAcids

P=ONucleicacids

P=ONucleicacids

CO,COC,CCGlucides

Sugarregion

Nucleicacidsregion

Lipidsregion

cm-1 Adapté de C. Sandt


Imager dans l’infra-rouge ?

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0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

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0,40

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0,80

Log(

1/R

)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Nomb re d 'ond e (cm-1)


cm-1

M

OO

O

L

Imager dans l’infra-rouge ?


Un peptide réputé pénétrer facilement dans les cellules

Détection vibrationnelle et par luminescence


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

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Log(

1/R

)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Nomb re d 'ond e (cm-1)

Spectre de luminescence typique en cellule

C e l l u l e contrôle

LespectreIRd’unecellule

Lespectredel’unitéRe(CO)3


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Perméation à travers une Cellule dite de Franz

Un mot sur le structure de la peau…

Etude de perméation percutanée ex vivo (biopsie de peau)

http://kiosque.irsn.fr/archives/aktis/n_006.html

http://www.lagep.cpe.fr/ wwwlagep7/viscosimetre/

Coll. A. Baillet, Univ. Paris Sud

Imager dans l’infra-rouge


1luminescenceEpidermalcells(DAPIstaining)

1IRabsorp6onA1-band(2040-2000cm-1)1luminescenceEpidermalcells

(DAPIstaining)1IRabsorp6on

A1-band(2040-2000cm-1)1luminescenceEpidermalcells(DAPIstaining)

1IRabsorp6onA1-band(2040-2000cm-1)

Exposition 6h

S. Clède

20 µm

S. Clède, N. Delsuc, C. Laugel, F. Lambert, C. Sandt, A. Baillet-Guffroy, C. Policar, Chem. Commun. 2015, 51, 2687-2689.

luminescence Cellules de l’épiderme Absorption IR (red>blue)

Imager dans l’infra-rouge 0.02 M solution aqueuse, 200 µL deposé sur la eau pour faire la perméation

Réalisation de coupes de peau d’épaisseur 10-µm

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1luminescenceEpidermalcells(DAPIstaining)

1IRabsorp6onA1-band(2040-2000cm-1)1luminescenceEpidermalcells

(DAPIstaining)1IRabsorp6on

A1-band(2040-2000cm-1)1luminescenceEpidermalcells(DAPIstaining)

1IRabsorp6onA1-band(2040-2000cm-1)

luminescence Cellules de l’épiderme Absorption IR (red>blue)

Exposition : 24h

20 µm

S. Clède, N. Delsuc, C. Laugel, F. Lambert, C. Sandt, A. Baillet-Guffroy, C. Policar, Chem. Commun. 2015, 51, 2687-2689.

0.02 M solution aqueuse, 200 µL deposé sur la eau pour faire la perméation

Réalisation de coupes de peau d’épaisseur 10-µm

Imager dans l’infra-rouge


Analyses chimiques Au niveau cellulaire

Spéciation/Stabilité Spectroscopie à l’échelle cellulaire

Imagerie sub-cellulaire et biologique

Expériences à l’échelle du tissu ou de l’animal

Animal models

Un nouveau champ : la chimie inorganique cellulaire et biologique

L’activité dans les cellules

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[email protected]

A.S. Bernard

S. Clède E. Mathieu

P. Dumas C. Sandt

A.  Dazzi

M. Réfrégiers

Remerciements

H. Bertrand N. Delsuc

SOLEIL

Univ. Paris-Sud

Financements : -ANR 2010, 2011, 2015 -ACI-JCJC (2004-2008) -CNRS (projets à risque, PCV, 2009) -Ministère de la recherche -Contract fraco-indien (CEFIPRA) (2007-10) -ENS -UPMC -PROSFER program (GENS-ECNU) -PSL structuration 2014-2015 -AFA bourse de recherche 2015 -FRM 2016-2019

J. Masliah

A. Baillet-Guffroy C. Laugel

P. Seksik, Saint-Antoine

P. Langella F. Chain Micalis, INRA

E. Quévrain

L. Henry

F. Lambert

A. Vincent M. Zoumpoulaki

complexes métalliques et bio-inspirationgics.fr/media/files/diapos_policar.pdf06/11/2018 2 les...

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