Soutenance de thèse de PEREIRA RESENDE Bruna
Titre de thèse
déterminants redox et structuraux des interactions des composés conjugués au triphénylphosphonium avec la chaîne de transport d'électrons mitochondriale
redox and structural determinants of triphenylphosphonium-conjugates' interactions with the mitochondrial electron transport chain
Résumé de la thèse
De plus en plus de preuves indiquent que les mitochondries des cellules cancéreuses demeurent fonctionnelles et constituent des cibles thérapeutiques prometteuses. L'administration de médicaments ciblant ces mitochondries utilise couramment des composés conjugués au triphénylphosphonium (TPP), qui s'accumulent préférentiellement dans les mitochondries des cellules cancéreuses en raison du potentiel de membrane fortement négatif de celles-ci. La plupart des agents conjugués au TPP inhibent les complexes I et III de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale. Par ce biais, ils inhibent la respiration mitochondriale et la prolifération des cellules cancéreuses, souvent via une signalisation redox impliquant des espèces réactives de l'oxygène (ROS).
La littérature existante ne traite que d'aspects isolés des agents redox-actifs ciblant les mitochondries. Par exemple, certaines études rapportent la génération de ROS sans mesures bioénergétiques à l'appui, tandis que d'autres proposent un mécanisme d'action sans analyses computationnelles associées. Aucune étude n'a intégré ces lectures complémentaires dans un cadre méthodologique cohérent.
Pour combler cette lacune, une boîte à outils intégrée a été mise en place, couvrant la synthèse, la caractérisation cinétique et thermodynamique, les essais acellulaires et cellulaires, ainsi que la modélisation computationnelle. En s'appuyant sur cette plateforme, de nouveaux modulateurs de la phosphorylation oxydative (OXPHOS) ont été conçus pour agir comme des agents de redox cycling, des inhibiteurs de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale, ou les deux. Dans le cadre de cet effort, la substitution du groupement TPP par des groupes donneurs et attracteurs d'électrons a été explorée systématiquement afin de déterminer comment elle module le comportement redox d'un composé chef de file, l'atovaquone, ciblée vers les mitochondries (Mito-ATO). Notamment, Mito-ATO fait également l'objet de la première étude computationnelle rapportée pour un composé de ce type ciblant les mitochondries, apportant un éclairage mécanistique complémentaire aux observations expérimentales. Parallèlement, de nouveaux noyaux ont été introduits (anthraquinones, isoquinoléines), et les travaux sont toujours en cours. Enfin, des contributions ont été apportées à une autre série de premier plan, le bipyridinium ciblé vers les mitochondries.
Ce travail a fourni des résultats qui dressent un tableau structurel et mécanistique des modulateurs de l'OXPHOS à base de TPP. La combinaison d'une caractérisation expérimentale et, pour la première fois, computationnelle d'un agent ciblant les mitochondries met en évidence l'intérêt d'intégrer différentes approches expérimentales pour comprendre pleinement ces modulateurs de l'OXPHOS dans la biologie du cancer.
Thesis resume
Growing evidence indicates that cancer cell mitochondria remain functional and represent attractive therapeutic targets. Mitochondria-targeted drug delivery commonly uses triphenylphosphonium (TPP)-conjugated compounds, which preferentially accumulate in cancer cell mitochondria because of their highly negative membrane potential. Most TPP-conjugated agents inhibit mitochondrial electron transport chain complexes I and III, suppressing mitochondrial respiration and cancer cell proliferation, often through redox-mediated signaling involving reactive oxygen species (ROS).
The existing literature addresses only isolated aspects of redox-active, mitochondria-targeted agents. For instance, some studies report ROS generation without supporting bioenergetic measurements, while others propose a mechanism of action without accompanying computational analyses. No single study has integrated these complementary readouts into a coherent pipeline.
To address this gap, an integrated toolkit has been established, spanning synthesis, kinetic and thermodynamic characterization, cell-free and cell-based assays, and computational modeling, defining a methodological framework for properly characterizing a redox compound. Building on this platform, new oxidative phosphorylation (OXPHOS) modulators were designed to act as redox-cycling agents, mitochondrial electron transport chain inhibitors, or both. As part of this effort, substitution of the TPP moiety with electron-donating and electron-withdrawing groups was systematically explored to determine how it modulates the redox behavior of a lead compound, mitochondria-targeted atovaquone (Mito-ATO). Notably, Mito-ATO is also the subject of the first computational study reported for a mitochondria-targeted compound of this kind, providing mechanistic insight to complement experimental observations. In parallel, new scaffolds were introduced (anthraquinones, isoquinolines), and work is still ongoing. Finally, contributions have been made to another leading series, mitochondria-targeted bipyridinium.
This work provided results that establish a structural and mechanistic picture of TPP-based OXPHOS modulators. The combination of experimental and, for the first time, computational characterization of a mitochondria-targeted agent highlights the value of integrating different experiments to fully understand these OXPHOS modulators in cancer biology.