Une molécule-cage transporteuse d'oxygène

Publié par Isabelle le 10/06/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Formuler un substitut sanguin capable de transporter efficacement l'oxygène, sans toxicité biologique ou chimique, et dont la préparation serait peu coûteuse pour de très grandes quantités, est un graal qui remonte au XVIIème siècle [1]. De nombreuses solutions ont été avancées, notamment à base d'hémoglobines, protéines d'origine humaine, animale ou bactérienne qui transportent l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux....). Aucune piste n'a permis jusqu'à présent de proposer un produit acceptable par les autorités de santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.).


Une équipe d'IRAMIS, en collaboration avec deux équipes de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Frédéric Joliot, et avec une jeune start-up: LBP propose une nouvelle voie: Il est montré que la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...) CB5(OH)10 est capable de complexer efficacement dans sa cavité le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.) d'une solution physiologique [2]. CB5(OH)10 appartient à la famille des cucurbiturils, en référence à leur forme qui ressemble à celle d'une citrouille (La citrouille (Cucurbita pepo) est une plante annuelle appartenant au genre Cucurbita et à la famille des Cucurbitaceae. C'est aussi le nom de son fruit volumineux, de couleur jaune orangé.). La propriété d'encapsulation (L'encapsulation en général est la notion de mettre une chose dans une autre. En imageant, on peut voir que cette chose est mise dans une capsule. En particulier, on peut retrouver ce...) du dioxygène par CB5(OH)10 est comparable, en son principe, à celle de l'hémoglobine, principal vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple...) de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des...) du dioxygène dans le sang. La start-up ambitionne de proposer un substitut sanguin entièrement thermostable et synthétique, donc sans aucun risque infectieux.


Fig.1: CB5(OH)10 est capable de complexer O2, et pourrait donc constituer un élément important dans la formulation d'un substitut sanguin

Proposer un substitut sanguin conservant les propriétés du sang humain en termes d'efficacité de transport de l'oxygène, d'innocuité chimique et biologique, de stabilité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) et de facilité de synthèse à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur....) est un défi qui n'est pas encore relevé. Diverses approches ont été proposées, par exemple l'utilisation d'émulsions perfluorées ou l'utilisation d'hémoglobines, d'origine humaine ou non, ou encore la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de...) de cellules souches transformées en globules rouges. Certaines de ces voies font actuellement l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) d'investigations, mais présentent de sérieux défis à relever. Une équipe d'IRAMIS, en collaboration avec deux équipes de l'institut Frédéric Joliot, et une jeune start-up LBP, a découvert que la molécule CB5(OH)10 (notée 3, R=OH sur la figure ci-dessous), est capable de complexer efficacement le dioxygène en solution aqueuse.

Cette molécule fait partie de la famille des cucurbiturils, ainsi appelée du fait de sa forme rappelant celle des citrouilles. Les cucurbiturils résultent de la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement d'état en passant lors d'une...) de n unités glycoluryls avec le paraformaldéhyde en milieu acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.). Les cucurbiturils connus en comportent entre 5 et 10 unités. Les plus petits d'entre eux, n = 5, sont les plus enclins à complexer des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...). La petite cavité hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et Φοβοσ, phóbos = peur) ou lipophile quand il est soluble dans les corps gras, mais insoluble dans l'eau.) de ces cucurbiturils favorisent l'encapsulation de gaz, eux aussi hydrophobes, par la formation de liaisons intermoléculaires faibles appelées liaisons de van der Waals. C'est pourquoi l'étude s'est focalisée sur 3 cucurbiturils à 5 monomères vis-à-vis de la complexation de O2.

La complexation a été évaluée par Résonance Magnétique Nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (RMN) du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.): des quantités variables d'oxygène ont été ajoutées à un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) contenant un cucurbituril en solution aqueuse. La RMN est particulièrement bien adaptée à cette mesure car le paramagnétisme (Le paramagnétisme est la tendance des dipôles magnétiques atomiques à s'aligner avec un champ magnétique externe, à cause de leur spin quantique ainsi que le moment angulaire des orbitales de...) inhérent à O2 influe grandement sur les paramètres des spins nucléaires, en particulier sur la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un...) des signaux et sur la vitesse (On distingue :) de relaxation longitudinale, notée R1, c'est-à-dire la vitesse à laquelle des spins nucléaires excités par une impulsion radiofréquence reviennent à leur état d'équilibre dans le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de...).


Fig. 2: À gauche, structure des trois cucurbiturils testés. Contrairement à la molécule 2, la molécule 3, CB5(OH)10, encapsule l'oxygène même en présence de chlorure de sodium à 0.9%, comme le montre, à droite, la modification du spectre pour les signaux marqués d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.).

Sur les 3 cucurbiturils testés, l'un d'eux, noté 1, R=H sur la figure, ne montre aucune modification de la largeur des signaux RMN des protons. Les deux autres, R=CH3 et R=OH, montrent une large variation de ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.). Les cucurbiturils étant connus pour fortement complexer les cations, et le sodium étant aussi le cation le plus présent dans le sang; il a alors été décidé d'ajouter du chlorure de sodium à 0.9%, pour obtenir une solution de type physiologique, largement utilisée à des fins médicales. La complexation est cette fois obtenue au niveau des portails de la cavité, formés de fonctions carbonyles, dont les oxygènes sont représentés par les sphères rouges au centre la molécule sur la Fig.1, qui sont donc susceptibles de gêner la complexation de l'oxygène.

Pour le composé 2 R=CH3, la largeur des signaux est très semblable en présence ou en l'absence d'oxygène, démontrant une encapsulation négligeable (voir les spectres de la figure 2).

A l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont...), pour le composé 3 R=OH, une partie des signaux est très affectée par la présence d'oxygène. En faisant varier la concentration d'oxygène dissous, proportionnelle à sa pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse au dessus de la solution, et en mesurant à chaque fois le facteur R1, qui donne des résultats plus précis que la largeur des signaux, une constante de complexation de O2 comprise entre 2300 et 3700 M-1 est obtenue pour ce composé 3. Ceci permet d'estimer que 20 à 30 mM de cucurbituril permettent de transporter autant d'oxygène que sa concentration habituelle dans le sang.

Il reste maintenant à vérifier la non-toxicité de CB5(OH)10, mais tous les autres cucurbiturils testés jusqu'à présent se sont révélés très peu toxiques. Ce substitut sanguin pourrait aussi aider au transport du CO2, issu de la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz carbonique »,...). Autre piste: d'autres molécules-cage, les bambusurils [3], sont aussi connues pour encapsuler les anions, ce qui est un atout quand on sait que le CO2 est en équilibre dans le sang avec l'anion bicarbonate. La start-up LBP va poursuivre ces recherches dans l'objectif de proposer un substitut sanguin complet acceptable cliniquement et économiquement abordable.

Références:
[1] Artificial blood, S. Sarkar, Indian J. Crit. Care Med., 12 (2008) 140.
[2] Cucurbit[5]uril derivatives as oxygen carriers.
G. Huber, P. Berthault, A.L. Nguyen, A. Pruvost, E. Barruet, J. Rivollier, M.-P. Heck & B. Prieur, Supramol. Chem., 31(10) (2019) 668.
[3] Functionalization of bambusurils by a thiol-ene click reaction and a facile method for the preparation of anion-free bambus[6]urils,
D. Azazna, M. Lafosse, J. Rivollier, J. Wang, I. Ben Cheikh, M. Meyer, P. Thuéry, J.‐P. Dognon, G. Huber, M.‐P. Heck, Chem. Eur. J., 24 (2018) 10793.

Brevet: "Cucurbituril derivatives as oxygen carriers", Benoit Prieur, Marie-Pierre Heck et Gaspard Huber.

Voir aussi, magazine "Sciences et Avenir": "Une "citrouille moléculaire" qui transporte de l'oxygène: un futur substitut sanguin ?", par Camille Gaubert le 16/02/2020.

Contacts CEA-IRAMIS: Gaspard Huber, P. Berthault, E. Barruet (NIMBE/LSDRM).

Collaborations:
- J. Rivollier, M.-P. Heck, (DRF / Joliot / SCBM), Laboratoire LCB, CEA Saclay
- A.L. Nguyen, A. Pruvost, (DRF / Joliot / SPI), Plateforme SMARt-MS, CEA Saclay
- B. Prieur, LBP- Laboratoire Benoit Prieur,
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