Dérivés hybrides d'isatine-pyrimidine en tant qu'inhibiteurs de la protéine porteuse énoyl acyl réductase (InhA) contre Mycobacterium tuberculosis (2023)

Mycobacterium tuberculosisest l'agent causal de la tuberculose (TB), qui est une maladie infectieuse transmise par voie aérienne. La tuberculose affecte non seulement les poumons, mais également d'autres organes, notamment la colonne vertébrale, les reins et le cerveau, si elle n'est pas traitée. La tuberculose a une puissante capacité à survivre au sein des cellules hôtes, alternant entre phases actives et latentes, et défiant les mécanismes de défense du système immunitaire [1]. L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a estimé qu'un tiers de la population humaine dans le monde est infecté de manière latente [2]. La maladie a causé 1,3 million de décès parmi les patients séronégatifs en plus de 214 000 décès parmi les patients séropositifs selon le rapport mondial sur la tuberculose de 2021 [3].

Malgré la présence de nombreux agents antituberculeux, il existe encore un énorme besoin de découverte de nouveaux agents combattant et guérissant la tuberculose [4]. Les agents traditionnels actuels, notamment l'isoniazide, la rifampicine, l'éthambutol et les fluoroquinolones, présentent de nombreux inconvénients, notamment la résistance aux médicaments ainsi que de longues durées de traitement [5]. Plusieurs améliorations dans les schémas thérapeutiques ont été observées au cours des deux dernières années. Par exemple, un traitement de quatre mois avec la rifapentine et la moxifloxacine s'est avéré non inférieur au traitement standard contre les TB non résistantes [6]. De plus, la résistance multidrogue (MDR) est définie comme la résistance à la fois à l'isoniazide et à la rifampicine (les deux sont des médicaments de première intention) [7]. Selon le rapport 2021 de l'OMS, 3 à 4 % des cas de tuberculose dans le monde se sont avérés être une tuberculose multirésistante lors du premier diagnostic, alors qu'ils atteignaient 18 à 21 % chez les patients précédemment traités pour la tuberculose [3]. La tuberculose multirésistante est considérée comme un problème alarmant pour l'éradication de la tuberculose, où elle affecte 500 000 personnes et cause 110 000 décès par an [8]. En outre, les cas ultrarésistants aux médicaments (XDR-TB) ont montré une résistance supplémentaire à deux des agents de deuxième ligne tels que les fluoroquinolones et le linézolide [9]. Récemment, une trithérapie composée de prétomanide, de bédaquiline et de linézolide a été approuvée en 2019 contre la tuberculose multirésistante et ultrarésistante [10]. La découverte de nouveaux médicaments antituberculeux est une nécessité pour surmonter le problème de résistance [11]. Cela pourrait être réalisé en explorant des cibles essentielles à la survie et à la croissance des bactéries [12]. Par exemple, la biosynthèse des acides gras dansMycobactériesest crucial pour la croissance bactérienne, car les acides gras doivent être synthétisés par les cellules [13]. Cette voie de biosynthèse des acides gras, catalyse la production des acides gras nécessaires à partir de l'acétyl CoA par l'action de plusieurs synthases [14]. Ce groupe d'enzymes appartient à une famille de protéines connue sous le nom de synthase d'acide gras (FAS). Le SAF de type II se retrouve uniquement dans le système bactérien, ce qui en fait une cible sélective pour les agents antibactériens et antituberculeux [15].

Mycobacterium tuberculosisEnoyl acyl carrier protein (ACP) réductase (InhA) est une dépendante du NADH et un composant essentiel de la voie de biosynthèse du FAS II [16]. Cette voie est cruciale pour la survie des mycobactéries, car elle est impliquée dans la synthèse de l'acide mycolique, l'un des composants importants de la paroi cellulaire [17].Mycobactériesparoi cellulaire est tout à fait unique, où sa structure complexe et dense contribue à l'extrême virulence des mycobactéries. L'une des raisons qui rend la tuberculose très difficile à traiter est la teneur élevée en acide mycolique dans sa paroi cellulaire, ce qui entraîne une paroi cellulaire relativement imperméable [18]. L'acide mycolique est à longue chaîne (∼C₅₀-₉₀) des acides gras hydroxylés, qui agissent comme une barrière physique protégeant les cellules des mécanismes de défense de l'hôte [19].

L'importance de l'acide mycolique mentionnée ci-dessus pour la survie des mycobactéries suggère que toute perturbation de sa synthèse pourrait jouer un rôle en tant que cible attrayante pour la mort des cellules mycobactériennes et donc l'éradication de la tuberculose [20]. Il convient de mentionner ici que l'isoniazide, en tant que médicament de première ligne contre la tuberculose, exerce son activité antituberculeuse en perturbant la synthèse de l'acide mycolique via son effet inhibiteur sur InhA [21]. L'isoniazide étant un promédicament, il doit être activé par l'action de KatG, l'enzyme acatalase-peroxydase. Ce processus d'activation (Fig. 1) convertit l'isoniazide en un produit instable qui se lie de manière covalente au cofacteur NADH présent dans le site actif InhA [22].

Depuis de nombreuses années, plusieurs souches deMycobacterium tuberculosisdéveloppé une résistance à l'isoniazide par le biais de mutations KatG qui réduisent sa capacité d'activation de l'isoniazide et donc son effet inhibiteur InhA [23]. Les chercheurs se sont donc intéressés à la découverte de nouveaux agents exerçant son activité directement sur InhA, sans être activés par KatG [24], [25], [26]. Au cours des dernières années, il a été prouvé que de nombreuses petites molécules présentaient une inhibition directe d'InhA contournant la bioactivation de KatG. Comme le montre la figure 2, ces inhibiteurs comprennent le triclosan, les dérivés de diphényléthers (UN) [27], [28], analogues de pyrrolidine carboxamide (B) [29], arylamide (C) [30] et 4-hydroxy-2-pyridones (D) [31].

La structure cristalline d'InhA co-cristallisée avec un puissant inhibiteur est disponible via la bande de données protéiques (https://www.rcsb.org) sous le code PDB de 4TZK [29]. L'exploration du mode de liaison de ce puissant inhibiteur et du site actif d'InhA (Fig. 3) révèle que le site actif est formé de plusieurs poches ou sous-sites. La première poche est formée autour de Tyr158 et de la fraction ribose du cofacteur NAD. Plusieurs inhibiteurs d'InhA rapportés, y compris le ligand co-cristallisé, sont capables de former deux liaisons hydrogène avec Tyr158 et les groupes hydroxyle du ribose [1]. La deuxième poche est une longue poche hydrophobe qui accueille la chaîne alkyle du substrat et est flexible par nature et est capable de lier des fragments polyvalents dans les inhibiteurs. La première poche se connecte également à une zone relativement grande (troisième poche). Cette poche est relativement inexplorée et se divise en une face hydrophile qui accueille le phosphate du NAD et une face hydrophobe qui se forme autour des résidus Ala198 et Ile202 [29].

Nous avons décidé d'étudier de nouveaux hybrides isatine-pyrimidine en tant que nouvel échafaudage pour leur inhibition potentielle d'InhA en raison de la similitude entre les composés cibles et le ligand co-cristallisé, comme le montre la figure 4. L'hybridation moléculaire était le concept utilisé et appliqué dans la conception de notre bibliothèque souhaitée. L'hybridation moléculaire est un outil efficace qui consiste à combiner différents échafaudages afin de produire un nouvel analogue avec une activité biologique améliorée [33].

L'isatine (1H-indole-2,3-dione) est un échafaudage chimique bien connu dans le domaine de la chimie médicinale. Cela pourrait être dû à sa capacité à former plusieurs types d'interactions telles que le donneur de liaison hydrogène, l'accepteur de liaison hydrogène, les interactions hydrophobes ainsi que l'empilement π-π. Les dérivés d'isatine liés à d'autres fractions possèdent un large éventail d'activités biologiques, notamment des activités anticancéreuses [34], antipaludiques [35], anti-inflammatoires [36], anti-VIH [37], antibactériennes [38] et antituberculeuses (E et F sur la Fig. 5) [39], [40]. Chimiquement, l'isatine est considérée comme un bloc de construction très intéressant, où des modifications chimiques peuvent avoir lieu principalement sur de nombreux sites ;C3,C5, etN1. De plus, la pyrimidine a montré un large spectre d'activités biologiques diverses. De nombreux groupes de recherche ont exploré le succès potentiel de l'utilisation des dérivés de la pyrimidine comme agents antituberculeux [41], [42]. Ici, nous avons décidé d'explorer l'inhibition potentielle des hybrides isatine-pyrimidine de InhA.

Ici, nous rapportons la conception, la synthèse, la modélisation et les études de dynamique moléculaire de nos composés cibles. Plusieurs dérivés ont été fabriqués et choisis pour couvrir un large type de substituants, y compris les halogénures, les groupes méthoxy et méthyle. La bibliothèque de composés synthétisés a été testée pour leur activité contre lesMycobacterium tuberculosisH37Ra (ATCC25177) ainsi que MDR et XDR. Les composés les plus puissants ont été étudiés pour leur effet inhibiteur surMycobacterium tuberculosisEnzyme InhA.