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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
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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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Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
Qu’est-ce qu’un métal ?
Μέταλλον (grec) ou metallum (latin): mine, tranchée
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
Galene Copeau métallique Des cations métalliques en solution aqueuse Amethyste
Les métaux en biologie
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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 métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
Les cations métalliques sont-ils des constituants endogènes ?
JulesRaulin,1836-1896
Metals in Biology
Caractèreindispensabledeselsdezincdanslacroissance
d’unemoisissure(1869)
Les métaux en biologie
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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)
Les métaux en biologie
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Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
Mn
Zn
Fe
Les oligoéléments dans le tableau périodique
Cu
Metals in Biology
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
Les métaux en biologie
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Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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
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
Les métaux en biologie
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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
Les métaux en biologie
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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
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
Des molécules mimes d’anti-oxydants pour lutter contre l’inflammation
Diaposi2ved’EmilieMathieu
Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules
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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]
Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules
Prendre les SODs comme modèles : les complexes mimes de SODs
D’après Magritte, « La clairvoyance » 1936
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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
Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules
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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 ?
Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
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
Imager dans des cellules
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
*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 des cellules
Imager dans l’infra-rouge ?
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Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
*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)
Imager dans des cellules
cm-1
M
OO
O
L
Imager dans l’infra-rouge ?
Les métaux en biologie Les mimes de SODs : de la conception à l’étude sur cellules Imager dans des cellules
Un peptide réputé pénétrer facilement dans les cellules
Détection vibrationnelle et par luminescence
*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)
Spectre de luminescence typique en cellule
C e l l u l e contrôle
LespectreIRd’unecellule
Lespectredel’unitéRe(CO)3
Imager dans des cellules
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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
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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)
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
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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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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