Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.