Présentation du Laboratoire LitCh

Responsable : Clarisse Vandebrouck

Mot de la responsable :

Les lipointoxications se caractérisent par une accumulation d’acides gras saturés dans les membranes des cellules de notre organisme, ce qui affecte leur bon fonctionnement. Les maladies ciblées comprennent les maladies respiratoires obstructives, telles que la mucoviscidose et les maladies pulmonaires obstructives chroniques (BPCO), la douleur, mais aussi les syndromes métaboliques, responsables du diabète de type 2, de la stéatose hépatique et de certaines maladies cardiovasculaires. Notre laboratoire coopératif a pour objectif de développer la recherche fondamentale nécessaire pour aboutir à un candidat-médicament stabilisé. Il permet de réfléchir très tôt à la mise en œuvre du médicament et ainsi d’optimiser les essais cliniques en creusant certaines pistes de recherche et en en éliminant d’autres. Actuellement, nous intéressons à plusieurs physiopathologies comme le montre le schéma des différents projets de LitCh.

Les membres du laboratoire coopératif LitCh

Les activités de recherche du laboratoire LitCh

Le programme de recherche du laboratoire coopératif est organisé selon quatre axes principaux.

  1. Identifier des contextes physiopathologiques associées à des lipointoxications chez l’homme ;
  2. Comprendre, dans ces différents contextes, les mécanismes impliqués et leurs impacts sur le fonctionnement de l’organe affecté ;
  3. Développer et utiliser des outils de modélisation moléculaire permettant d’appréhender les effets de la lipointoxication sur les propriétés biophysiques des membranes cellulaires ;
  4. Dessiner (pharmacomoduler) et tester de nouveaux candidats médicaments, capables de restaurer des propriétés membranaires compatibles avec le bon fonctionnement des organites intracellulaires et, in fine, de l’organe dans son entier.

Contexte scientifique : Phospholipides et propriétés des membranes cellulaires

La composition lipidique des membranes cellulaires varie considérablement d’un organisme à l’autre, mais également, pour un individu donné, au sein des différents tissus et, pour un type cellulaire considéré, au sein même de ses compartiments. La connaissance de cette diversité a considérablement augmenté grâce aux progrès conjoints du fractionnement cellulaire et de l’analyse des lipides, notamment avec le développement de la spectroscopie de masse.

Les phospholipides (PL) sont les principaux composants des membranes cellulaires. Ils sont constitués de trois blocs de construction : une tête polaire, un groupe central (glycérol), et de deux longues chaînes hydrocarbonées (les acides gras). Dans les cellules de mammifères, si l’on considère une classification basée sur la tête polaire, la PhosphatidylCholine (PC) est le PL le plus abondant.

Les acides gras sont divisés en trois classes en fonction du nombre de doubles liaisons le long de la chaîne carbonée. Les Acides Gras Saturés (AGS) ne contiennent que des liaisons saturées (C-C) ; les acides gras monoinsaturés (AGMI) contiennent une unique double liaison cis (C=C) ; les acides gras polyinsaturés (AGPI) contiennent 2 à 6 doubles liaisons et sont eux-mêmes subdivisés en deux sous-classes, les w3 et w6, selon la position de la dernière double liaison. Parmi ces acides gras, le Palmitate (AGS), l’Oléate (AGMI), l’Arachidonate (AGPI, w6) et l’Acide DocosaHexanoïque (DHA ; AGPI, w3) sont les acides gras les plus abondants de chaque classe. Leur abréviation (C16:0, C18:1-n9, C20: 4-n6 et C22: 6-n3, respectivement) indique  le  nombre  de carbones,  le nombre  de doubles  liaisons et la position de la première double liaison  par rapport au méthyle terminal.

De nombreuses études ont permis de démontrer que le maintien de l’équilibre entre les AGS, les AGMI et les AGPI au sein des PL était essentiel pour garantir les propriétés biophysiques membranaires optimales, compatibles avec les processus sélectifs se déroulant au sein des compartiments cellulaires, comme le bourgeonnement vésiculaire ou le trafic et la fonction des protéines membranaires. Des études cumulées de biophysique et de modélisation moléculaire, ont montré que différents paramètres biophysiques sont directement régulés par ce rapport, comme l’épaisseur de la membrane, sa perméabilité, son élasticité, sa plasticité ou sa rugosité de surface (surface voids) (Figure 1). Par exemple, une membrane riche en PL contenant des AGS sera globalement, plus organisée du fait du packing des chaînes d’acides gras, générant des membranes épaisses, imperméables à l’eau et aux petites molécules hydrophiles, mais peu élastiques et peu malléables (Figure 1).

Figure 1 : La composition en acides gras des PL régule les propriétés membranaires. Par exemple, une membrane constituée de PL contenant deux chaînes d’acides gras saturés (SFA pour Saturated Fatty Acid), va générer des membranes plus épaisses, moins élastique,  moins fluide et moins rugueuse (i. e. présentant moins de défauts de surfaces (surface voids)) qu’une membrane constituée de PL portant eux des chaînes insaturées (UFA pour Unsaturated Fatty Acid).

Par ailleurs, notre équipe a élaboré le concept (Deguil et al., 2011), puis participé à une étude fondatrice ayant permis de démontrer que les AGPI n’étaient pas simplement de « supers AGMI » mais présentaient la propriété de se contorsionner pour générer des membranes plastiques et extrêmement déformables (Pinot et al., 2014). Par contraste, les AGMI, du fait de leur simple double liaison, tendent à former des coudes au sein de la membrane, générant en conséquence des membranes élastiques, mais peu déformables. L’ensemble de ces résultats démontre donc que les contenus en acides gras des phospholipides, dans une membrane donnée, ont été scrupuleusement sélectionnés au cours de l’évolution pour répondre à des besoins physiologiques particuliers.

Nous nous référons à ces problématiques de balance en acides gras au sein des PL sous le terme de Lipointoxication.

Le concept de lipointoxication dans le syndrome métabolique

En effet, l’alimentation occidentale, excessivement riche en AGS provenant de sources animales (beurre, lard…) ou végétales (huile de palme…), a été associée depuis de nombreuses années à l’émergence d’une maladie complexe communément appelée Syndrome Métabolique (SMet). Le SMet n’est pas une maladie en soi, mais désigne plutôt la présence d’un ensemble de signes physiologiques qui accroissent les risques de diabète de type 2 (caractérisé par une insulino­ déficience et une insulino-résistance), de maladies cardiaques, hépatiques et d’accidents vasculaires cérébraux (AVC).

L’implication des AGS dans l’émergence de ce syndrome fait l’objet d’investigations très intenses depuis ces dernières années. Dans ce contexte, notre équipe a joué un rôle déterminant dans la compréhension des mécanismes sous-jacents en démontrant que les acides gras provenant de l’alimentation tendaient à se distribuer dans les phospholipides (Bacle et al. 2019). Ce faisant, ils impactent les propriétés mécaniques de ces dernières et affectent le bon fonctionnement des différents compartiments cellulaires (et en particulier du RE et de l’appareil de Golgi) jusqu’à conduire, dans des cas extrêmes, à la mort des cellules par le mécanisme de l’apoptose (Pinot et al. 2014, Payet et al., 2013, Pineau et al., 2008 et 2009).

Malgré le fait que les acides gras polyinsaturés (AGPI) sont généralement reconnus comme étant bons pour la santé, les mécanismes de leurs bienfaits restent insaisissables. Les AGPI sont particulièrement enrichis en Phospholipides membranaires (PL) d’organes sélectifs, parmi lesquels les muscles squelettiques et le système cardiovasculaire sont des exemples de premier ordre. La composition en acides gras des PL est connue pour réguler les propriétés essentielles de la membrane, notamment la rigidité, l’élasticité et la plasticité. Étant donné que les cellules musculaires subissent des cycles répétés d’allongement et de relaxation et sont constamment exposées à des contraintes mécaniques, nous avons postulé que les PL contenant des AGPI pourraient être des acteurs centraux pour l’adaptation des cellules musculaires aux contraintes mécaniques. Par une combinaison d’approches in cellulo et in silico, nous montrons que les AGPI, et en particulier l’acide ω-3 docohexaénoïque (DHA), régulent des propriétés importantes de la membrane plasmique qui améliorent la résilience des cellules musculaires aux contraintes mécaniques. Grâce à leur propriété unique de contorsion dans le plan bicouche, ils facilitent la formation de dilatation de type Vacuole (VLD) qui, à son tour, réduisent les contraintes membranaires et évitent la rupture des cellules sous contraintes mécaniques (Bacle et al., 2021 soumis).

Le concept de lipointoxication dans les maladies respiratoires obstructives

Dans une étude parallèle, notre équipe a également pu démontrer qu’un phénomène similaire d’accumulation d’AGS dans les phospholipides membranaires pouvait être observé dans les cellules épithéliales bronchiques de patients atteints de mucoviscidose (Payet et al., 2014). Cette observation, si elle peut paraître surprenante en première instance, s’explique par le fait que les AGS endogènes (i. e. synthétisés par les cellules elles-mêmes) sont désaturés par des enzymes dont l’activité est strictement dépendante de l’oxygène. En conséquence, la carence en oxygène (hypoxie) observée chez les patients, du fait des effets conjugués d’une bronchoconstriction chronique, d’une dégénérescence progressive du tissu pulmonaire et d’une obstruction constitutive des bronches par hypersécrétion de mucus, induit une accumulation endogène d’AGS, qui peuvent se distribuer dans les phospholipides membranaires et en impacter les propriétés des membranes cellulaires d’une façon très similaire à ce qui peut être observé dans le contexte des lipointoxications exogènes (Payet et al., 2014). Cette problématique d’hypoxie peut également rendre compte d’une autre observation que nous avons pu réaliser sur des cellules épithéliales bronchiques de patients fumeurs atteints de Broncho­ Pneumopathie Chronique Obstructive (BPCO) : de la même façon que chez les patients mucoviscidosiques, les cellules de ces sujets contiennent des taux anormalement élevés d’AGS saturés au sein de leurs phospholipides (Khadri et al. 2018).

L’hypoxie chronique et la lipointoxication associée peuvent expliquer, au moins en partie, les nombreux symptômes communs aux patients mucoviscidosiques et aux patients BPCO, tels qu’une inflammation constitutive des voies aériennes (dont les bronches), un épaississement des parois par atrophie des muscles lisses, ainsi qu’une hypersécrétion réactionnelle de mucus. Dans les deux cas, l’inflammation du tissu pulmonaire entraîne des perturbations cellulaires et des anomalies fonctionnelles, mais également une susceptibilité accrue aux infections bactériennes opportunistes. Les alvéoles pulmonaires qui permettent les échanges gazeux lors de la respiration sont progressivement détruites (apoptose).

La mucoviscidose et les BPCO sont toutes deux des maladies chroniques associées à de nombreux autres troubles : on parle de comorbidités. Ces comorbidités peuvent affecter différents organes et des fonctions diverses : métaboliques, musculaires, cardiaques, gastro-intestinales, psychiques (anxiété, dépression) … Il est intéressant de noter par exemple que de nombreux patients mucoviscidosiques ou BPCO souffrent de diabètes de type 2, un symptôme clé du SMet.

L’ensemble de ces observations suggère donc que les problématiques de lipointoxicité, qu’elles soient d’origine endogène ou exogène, peuvent rendre compte, au moins pour partie, des symptômes observés dans ces différentes pathologies.

Solutions mises en œuvre pour contrer la lipointoxication

La start-up ConicMeds development a pu identifier par une approche de criblage à haut-débit, deux candidats présentant des structures moléculaires très similaires, capables de contrer efficacement les effets toxiques liés aux AGS (Ferru-Clement, R et al., 2016). Sur la base de ces premiers résultats, un pharmacophore résumant les principaux motifs structuraux communs à l’ensemble des candidats a été développé. Celui-ci a ensuite été utilisé pour le criblage in silico de plus de 6 millions de molécules commercialement disponibles. Parmi vingt-deux nouveaux candidats sélectionnés à cette étape, trois « hits » ont été retenus, sur la base de leur mode commun d’action. Plus spécifiquement, nous avons montré que ces candidats présentent la propriété de s’insérer dans les membranes lipointoxiquées où ils jouent un rôle de Nanoécarteurs, en restaurant ainsi une élasticité membranaire compatible avec le fonctionnement des principaux processus cellulaires affectés par les AGS.

Le laboratoire LitCh a donc pu évaluer et valider le potentiel thérapeutique du CM22i dans des modèles représentatifs des différentes applications visées, et en particulier dans les syndromes respiratoires obstructifs. Dans le cas spécifique de la mucoviscidose, des résultats extrêmement prometteurs ont été obtenus in cellulo et ex vivo. Plus précisément, nous avons pu démontrer que le CM22i contrait efficacement l’apoptose liée à la lipointoxication dans des cellules épithéliales bronchiques de patients, en restaurant leurs propriétés membranaires (Figure 2) (Khadri et al., 2018). Par ailleurs, nous avons observé que l’accumulation d’AGS dans ces cellules induisait l’induction de la synthèse d’lnterleukine 8 (ILS), un marqueur de l’inflammation. Ceci suggère que la lipointoxication par carence en oxygène pourrait participer à l’inflammation constitutive qui est observée chez ces patients. De façon particulièrement intéressante, un traitement avec le CM22i a pour conséquence d’annuler ce phénomène inflammatoire. Enfin, il est également connu que la mucoviscidose et la BPCO sont associées à une bronchoconstriction chronique, ce qui participe aux difficultés respiratoires observées chez ces patients.  Nous avons postulé que ce phénomène pourrait s’expliquer par une réduction de l’élasticité des tissus, et en particulier des muscles lisses, du fait de la lipointoxication. Cette hypothèse a été confirmée par le fait que le CM22i permet effectivement de restaurer l’élasticité bronchique (diminution du tonus bronchique basal), aussi bien chez les patients mucoviscidosiques que chez les sujets atteints de BPCO).

Figure 2 : CM22i restaure les propriétés membranaires de cellules épithéliales bronchiques lipointoxiquées. Images de microscopie confocale (Plateforme ImageUP) de cellules épithéliales bronchiques d’un patient mucoviscidosique (cellules CFBE) en présence de la sonde Laurdan, dont la longueur d’onde d’émission varie en fonction des propriétés membranaires. Une couleur verte est caractéristique d’une membrane faiblement organisée (fluide) et une couleur bleue d’une membrane ordonnée (rigide). Comme montré, la lipointoxication induit une rigidification (diminution de la fluidité) des membranes intracellulaires, qui peut être contrée par la molécule CM22i.

L’objectif principal du partenariat entre l’Université de Poitiers et ConicMeds Development, est donc d’identifier, de développer et de démontrer la pertinence thérapeutique et la viabilité économique de deux programmes de développement de médicaments en ciblant spécifiquement les mécanismes pathologiques liés à la lipointoxication membranaire. Les Nanoécarteurs permettent d’envisager de renforcer l’arsenal thérapeutique et d’améliorer initialement le traitement des maladies pulmonaires obstructives et des maladies associées au syndrome métabolique.

Publications du Laboratoire LitCh

2020

Vandebrouck C and Ferreira T. (2020) Glued in lipids: lipointoxicity in Cystic Fibrosis. EBioMedicine 6: doi.org/10.1016/j.ebiom.2020.103038 (IF= 6.490)

Bacle A, Kadri L, Khoury S, Cognard C, Ferru-Clément R, Faivre JF, Bescond J, Krzesiak A, Delpech N, Colas J, Vandebrouck C, Sébille S and Ferreira T. (2020). A comprehensive study of Phospholipid fatty acid remodeling in the early onset of the metabolic syndrome: correlations to organ dysfunction. Disease models and mechanisms. Jun 15;13(6) : dmm043927. doi: 10.1242/dmm.043927. (IF= 4.651)

2018

Kadri L, Ferru-Clément R, Bacle A, Payet LA, Cantereau A, Hélye R, Becq F, Jayle C, Vandebrouck C, Ferreira T. Modulation of cellular membrane properties as a potential therapeutic strategy to counter lipointoxication in obstructive pulmonary diseases. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2018 Sep;1864(9 Pt B):3069-3084. (IF=5.476)

2016

Ferru-Clément R, Spanova M, Dhayal S, Morgan NG, Hélye R, Becq F, Hirose H, Antonny B, Vamparys L, Fuchs PF, Ferreira T. Targeting surface voids to counter membrane disorders in lipointoxication-related diseases. J Cell Sci. 2016 Jun 15;129(12):2368-81. (IF=4,517)

Marra S, Ferru-Clément R, Breuil V, Delaunay A, Christin M, Friend V, Sebille S, Cognard C, Ferreira T, Roux C, Euller-Ziegler L, Noel J, Lingueglia E, Deval E. Non-acidic activation of pain-related Acid-Sensing Ion Channel 3 by lipids. EMBO J. 2016 Feb 15;35(4):414-28. (IF=11,2)

 2015

Antonny B, Vanni S, Shindou H, Ferreira T. From zero to six double bonds: phospholipid unsaturation and organelle function. Trends Cell Biol. 2015 Jul;25(7):427-36. doi: 10.1016/j.tcb.2015.03.004. Epub 2015 Apr 20.

2014

Payet LA, Kadri L, Giraud S, Norez C, Berjeaud JM, Jayle C, Mirval S, Becq F, Vandebrouck C, Ferreira T. Cystic fibrosis bronchial epithelial cells are lipointoxicated by membrane palmitate accumulation. PLoS One. 2014 Feb 19;9(2):e89044. (IF=3.73)

Pinot M, Vanni S, Pagnotta S, Lacas-Gervais S, Payet LA, Ferreira T, Gautier R, Goud B, Antonny B, Barelli H. Lipid cell biology. Polyunsaturated phospholipids facilitate membrane deformation and fission by endocytic proteins. Science. 2014 Aug 8;345(6197):693-7. doi: 10.1126/science.1255288.

2013

Payet LA, Pineau L, Snyder EC, Colas J, Moussa A, Vannier B, Bigay J, Clarhaut J, Becq F, Berjeaud JM, Vandebrouck C, Ferreira T. Saturated fatty acids alter the late secretory pathway by modulating membrane properties. Traffic. 2013 Dec;14 (12):1228-41. (IF=4.65)

Chapitre de livre

2018

Bacle A & Ferreira T. Strategies to Counter Saturated Fatty Acid (SFA)-Mediated Lipointoxication. November 2018 DOI: 10.1016/B978-0-12-811297-7.00027-5. In book: The Molecular Nutrition of Fats. Publisher: Elsevier

Brevets

Ferreira T, Ferru-Clément R & Vandebrouck C. Compounds, compositions and uses thereof for the prevention and/or treatment of dyslipidemia. Patent: WO 2015052237 A1; PCT/EP2014/071543

Ferreira T, Spanova M, Ferru-Clément R, Dhaval S & Morgan NG. Compounds and compositions comprising such compounds for the prevention or treatment of dyslipidaemias. Patent: WO 2015052433 A1

La vie du laboratoire LitCh

Création du laboratoire LitCh :

LitCh – ConicMeds : des molécules prometteuses pour le traitement de maladies respiratoires et métaboliques

Un laboratoire coopératif entre l’université de Poitiers et l’entreprise ConicMeds pour optimiser le potentiel d’innovation

La start-up ConicMeds et l’Université de Poitiers se sont associées en mettant en place le laboratoire coopératif LitCh-Conic Meds, pour soutenir le développement de candidats-médicaments. Regroupant des équipes de recherche de plusieurs laboratoires (STIM, IC2MP-Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers, MOVE-Mobilité vieillissement et exercice), ce laboratoire a pour objectif de développer la recherche fondamentale nécessaire pour aboutir à un candidat-médicament stabilisé. Grâce à un partage des coûts et des expertises, il permet de réfléchir très tôt à la mise en œuvre du médicament et ainsi d’optimiser les essais cliniques en creusant certaines pistes de recherche et en en éliminant d’autres.

Thierry Ferreira – Président et Directeur Scientifique de ConicMeds Development, commente: « Suite à la signature de cet accord nous sommes impatients de réunir les financements que nous recherchons actuellement afin de débuter la phase de préclinique règlementaire en 2018, avec pour objectif d’engager dès 2019 les premiers essais chez l’Homme. »

Arnaud Pes – Président de la Société d’Accélération du Transfert de Technologie Grand Centre, ajoute : « Nous sommes convaincus que la société ConicMeds Development créée par Thierry Ferreira co-inventeur de la technologie est la solution de valorisation la plus pertinente afin de convertir efficacement ces années de recherche. »

Yves Jean – Président de l’Université de Poitiers, précise : « La création de la start-up ConicMeds et du laboratoire coopératif, qui va permettre la poursuite de projets de recherche de manière collaborative, sont le fruit d’une stratégie volontariste de l’Université de Poitiers en matière d’innovation et de partenariat avec les acteurs socio-économiques. »

ConicMeds Development (Lien internet : http://conicmeds.com/)

Créée en avril 2017 à Poitiers, ConicMeds est une société biopharmaceutique qui développe une famille de candidats-médicaments pour le traitement des pathologies associées à une lipointoxication cellulaire. Ces maladies incluent les pathologies respiratoires obstructives, telles que la Mucoviscidose et les Broncho-pneumopathies Chroniques Obstructives (BPCO), mais également les syndromes métaboliques, responsables des Diabètes de Type 2, de la stéatose hépatique et de certaines affections cardiovasculaires.

Les anciens membres du laboratoire LitCh

 

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