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Design and development of a new stimuli-responsive linker for biomedical applications.

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Zare, Fatemeh (2022). Design and development of a new stimuli-responsive linker for biomedical applications. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 255 p.

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Résumé

Espèces réactives endogènes, y compris les espèces réactives de l'oxygène (ROS), les espèces réactives de l'azote (RNS) et les espèces réactives du soufre (RSS) sont en équilibre complexe les unes avec les autres et jouent un rôle vital dans les processus physiologiques. Cependant, la surexpression et la dérégulation de leurs équilibres dans le cadre de processus physiopathologiques conduisent à l'apparition et au développement de nombreuses maladies. Par conséquent, les liaisons chimiques qui répondent à ces stimuli biologiques sont importantes pour de nombreuses applications pharmaceutiques et biotechnologiques. Jusqu'à présent, diverses liaisons chimiques sensibles aux ROS, RNS et RSS ont été développées et appliquées pour des applications thérapeutiques, diagnostiques et théranostiques. Compte tenu de la diversité des applications envisagées pour de telles liaisons chimiques, il est pertinent d'explorer de nouvelles variantes avec des profils de réactivité différents de ceux actuellement trouvés dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle liaison chimique, la liaison sulfure de vinyle sulfonium qui pourrait être installée sur des molécules de thioéther telles que des peptides contenant de la méthionine. La première partie de cette thèse a présenté les réactions et les facteurs impliqués dans la préparation de la liaison sulfure de vinyle sulfonium. Pour illustrer le potentiel de ces réactions, une alcyne déficiente en électrons a été installé de manière sélective sur le résidu méthionine de quatre peptides modèles et utilisée pour préparer une variété de bioconjugués par une réaction Click bien connue (addition nucléophile thiol-allène). Pour illustrer la polyvalence, une variété de bioconjugués ont été préparées (peptide-peptide; peptide-fluorophore; peptide polymère; peptide-protéine). Notre résultat a démontré que la liaison sulfure de vinyle sulfonium peut être préparée avec des réactifs/réactifs facilement accessibles et sans aucun intermédiaire destructeur. De plus, la liaison sulfure de vinyle sulfonium présentait le potentiel de la réaction Clip (addition radicale thiol-ène) en présence de radicaux thiols, ce qui induisait la libération complète des peptides d'origine via un processus de fragmentation simultané à la régénération de leur résidu méthionine non modifié (en minutes). Le résultat obtenu a démontré le potentiel de cette stratégie Click/Clip et du sulfure de vinyle sulfonium dans le secteur biotechnologique. La deuxième partie de cette thèse explore la réactivité d'une liaison de sulfure de vinyle sulfonium vis-à-vis des niveaux physiologiquement pertinents de différentes catégories d'espèces réactives et élucide la nature compétitive de ce processus dans les cellules. Les résultats indiquent que ces liaisons répondent aux thiols nucléophiles (heures/jours), aux radicaux thiols (minutes) et aux espèces azotées réactives (RNS; minutes) dans des conditions modèles conduisant à la libération d'un peptide contenant de la méthionine dans les deux premiers cas et à l’hydroxynitration dans le troisième cas. En présence de cellules et donc de concentrations biologiquement pertinentes de diverses espèces réactives, le RNS a surpassé les radicaux thiols pour la réaction avec le sulfure de vinyle sulfonium, tandis que la réaction avec les thiols nucléophiles restait attendue à des temps plus longs (heures/jours). Ce travail prépare donc le terrain pour l'utilisation prévisible de ces liens dans les secteurs biotechnologique et pharmaceutique.

Endogenous reactive species, including reactive oxygen species (ROS), reactive nitrogen species (RNS), and reactive sulfur species (RSS), are in complex equilibria with one another and play vital roles in physiological processes. However, their overexpression and the dysregulation of their equilibria under pathophysiological processes can lead to the onset and development of numerous diseases. Therefore, chemical linkages that respond to these biological stimuli are important for many pharmaceutical and biotechnological applications. Up to now, various ROS-, RNS-, and RSS-responsive chemical linkages have been developed and applied for therapeutic, diagnostic, and theranostic applications. Considering the diversity of applications foreseen for such chemical linkages, it is relevant to explore new variants with responsivity profiles that are different from those presently found in the literature. This work presents a new chemical linkage, the sulfonium vinyl sulfide group that can be installed on thioether molecules such as methionine-containing peptides. The first part of this thesis presents the reactions and factors involved in the preparation of sulfonium vinyl sulfide bond. To illustrate the potential of these reactions, an electron-deficient alkyne was conveniently and selectively installed on the methionine residue of four model peptides and used to prepare a variety of bioconjugates by a well-known Click reaction (nucleophilic thiol–allene addition). To illustrate versatility, a variety of bioconjugates were prepared (peptide–peptide; peptide– fluorophore; peptide–polymer; peptide–protein). Our results demonstrated that the sulfonium vinyl sulfide group can be prepared with readily accessible reactants/reagents and without significant side-reactions. Furthermore, the sulfonium vinyl sulfide groups exhibited the potential of Clip reaction (radical thiol–ene addition) in the presence of radical thiols, which induced the full release of the original peptides via a fragmentation process concurrent with the regeneration of their unmodified methionine residue (in minutes). The obtained results demonstrate the potential of this Click/Clip strategy and sulfonium vinyl sulfide in the biotechnological sector. The second part of this thesis explores the responsiveness of a sulfonium vinyl sulfide linker towards physiologically-relevant levels of different categories of reactive species and elucidates the competitive nature of this process in cells. Results indicate that these linkers respond to nucleophilic thiols (hours/days), radical thiols (minutes), and reactive nitrogen species (minutes) under model conditions leading to the release of a methionine-containing peptide in the first two cases and to hydroxynitration in the third case. In the presence of cells and hence biologically-relevant concentrations of various reactive species, RNS outcompeted radical thiols for reaction with the sulfonium vinyl sulfide, while reaction with nucleophilic thiols remained expected at longer times (hours/days). This work, therefore, sets the stage for predictably using such linkages in the biotechnological and pharmaceutical sectors.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gauthier, Marc A.
Mots-clés libres: chimie du clic; lieur; bioconjugué; Clip chimie; thiol radicalaire; thioéther; sulfonium; méthionine; espèces réactives; click chemistry; linker; bioconjugate; Clip chemistry; radical thiol; thioether; sulfonium; methionine; reactive species
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 25 janv. 2023 16:09
Dernière modification: 21 juill. 2023 04:00
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/13168

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