Une initiative participative produit de puissants antiviraux contre le SRAS-CoV-2

Une étude récente publiée dans la revue Science a décrit un programme de découverte de médicaments participatif, scientifique ouvert et structuré pour la protéase principale (Mpro) du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2).

Étude: Découverte scientifique ouverte des principaux inhibiteurs non covalents puissants de la protéase du SRAS-CoV-2. Crédit d’image : Studio de couronne boréale/Shutterstock

L’importance des thérapies antivirales dans le contrôle du COVID-19

L’incapacité à réduire la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) rendra le virus endémique à moins qu’un traitement accessible ne soit disponible. Les traitements antiviraux sont essentiels pour contrôler le COVID-19, et plusieurs agents antiviraux oraux ont été approuvés, notamment le molnupiravir, le nirmatrelvir et l’ensitrelvir. SARS-CoV-2 Mpro a été une cible attrayante pour le développement de médicaments, compte tenu de son rôle dans la réplication, de son degré élevé de conservation à travers les CoV et de sa dissemblance avec les protéases humaines.

Découverte de médicaments en crowdsourcing : l’initiative COVID Moonshot

Dans la présente étude, les chercheurs ont rapporté la découverte scientifique ouverte d’antiviraux puissants contre le SRAS-CoV-2. Ce programme, « COVID Moonshot », visait le SARS-CoV-2 Mpro, en s’appuyant sur un criblage rapide de fragments qui évaluait des cristaux uniques imbibés de fragments et identifiait 71 résultats peuplant le site actif. Les fragments non covalents n’avaient pas d’activité inhibitrice dans un test enzymatique mais offraient une carte d’interactions à haute résolution.

L’équipe a lancé une plateforme de crowdsourcing en ligne en mars 2020 et a demandé aux participants de soumettre des composés conçus sur la base de fragments.

Synthèse et criblage

Des analyses biochimiques et la cristallographie aux rayons X ont été utilisées pour évaluer les composés sélectionnés pour la synthèse, et leurs résultats ont également été publiés sur la même plateforme. Les conceptions ont été apportées par le groupe principal (de laboratoires et de chimistes médicinaux) et par la communauté.

Un organisme de recherche sous contrat (CRO), Enamine, a été chargé de synthétiser des composés. L’équipe a calculé les itinéraires synthétiques de toutes les soumissions à l’aide des inventaires de blocs de construction du CRO et a estimé la complexité synthétique. La complexité synthétique prévue était en corrélation avec le temps réel requis pour la synthèse du composé cible. Ensuite, des calculs alchimiques d’énergie libre ont été utilisés pour estimer la puissance des conceptions et des analogues issus de bibliothèques synthétiques virtuelles.

Les chercheurs ont utilisé un réseau informatique distribué mondial (Folding@home) pour estimer l’énergie libre de liaison de toutes les soumissions. Initialement, une petite étude a été entreprise en utilisant les données générées lors de la première semaine de conceptions participatives. Les résultats de ces calculs étaient bien corrélés aux affinités déterminées expérimentalement. Ensuite, les calculs alchimiques d’énergie libre étaient un autre critère pour guider la sélection et la conception itérative.

Trois campagnes de conception chronologiquement distinctes ont été observées : décoration d’anneaux de benzopyrane, remplacement du système benzopyrane et remplacement du système isoquinoléine. Ces calculs ont permis de sélectionner des analogues puissants dans des bibliothèques virtuelles et ont mis en évidence les domaines dans lesquels un effort de synthèse important serait nécessaire. En tant que telle, l’équipe a donné la priorité aux petites bibliothèques suggérées pour la synthèse.

Optimisation de la puissance antivirale grâce à l’analyse structure-activité

L’évaluation rapide de la relation structure-activité (SAR) a été complétée par l’utilisation de la chimie à haut débit (HTC) à l’échelle nanomolaire, comme en témoignent les optimisations du couplage amide pour étendre MAT-POS-4223bc15-21 et la réaction de Chan-Lam pour étendre l’ADA- UCB-6c2cb422-1. Sept et 20 composés des séries Chan-Lam et amide, respectivement, ont été sélectionnés pour la resynthèse.

Les composés étendus avaient une liaison similaire à celle des composés parents. L’un des composés de la série Chan-Lam avait une concentration inhibitrice semi-maximale légèrement supérieure (IC₅₀) que le composé parent. D’autre part, plusieurs composés de la série amide ont montré une amélioration de la CI jusqu’à 300 fois supérieure.₅₀ par rapport au composé parent.

Le trempage des cristaux et la diffraction des rayons X ont donné 587 structures. Un sous-ensemble de structures a été analysé, révélant des points chauds d’engagement du ligand et la plasticité des poches de liaison. Les poches P1 et P2 étaient des points chauds d’interactions. Certaines interactions saillantes dans la poche P1 échantillonnée par les ligands comprenaient N145 (hydrophobe), H163 (donneur de liaison hydrogène) et E166 (accepteur de liaison hydrogène).

En revanche, les interactions hydrophobes avec M165 et les interactions d’empilement π avec H41 étaient prédominantes dans P2. Ensuite, l’équipe a exploré P1, qui présente un SAR abrupt en raison de sa préférence pour les interactions directionnelles des liaisons hydrogène et sa rigidité. La puissance a été augmentée en remplaçant la pyridine par l’isoquinoline, introduisant ainsi des interactions supplémentaires avec le N142.

Le SAR autour de P2 était sensiblement tolérant au changement. Un changement de puissance était possible en rigidifiant l’échafaudage. Plus précisément, un cycle tétrahydropyrane a été introduit pour transformer le substituant en un fragment chromane. Ensuite, le chromane a été remplacé par de la tétrahydroisoquinoléine pour maintenir la puissance.

Enfin, une bibliothèque a été construite grâce au couplage sulfonamide Schotten-Baumann qui a augmenté l’activité inhibitrice et l’efficacité antivirale. Dans l’ensemble, cela a abouti à une série d’antiviraux puissants avec une faible pénétrance cérébrale, une biodisponibilité orale améliorée et un profil d’innocuité favorable, mais un in vitro-in vivo corrélation pour le dégagement.

Résultats prometteurs : les composés de plomb affichent une grande efficacité

L’une des dernières pistes, MAT-POS-e194df51-1, a été évaluée dans des tests antiviraux sur diverses lignées cellulaires et n’était pas cytotoxique, affichant une concentration efficace médiane de 126 nM dans les cellules HeLa-ACE2 et de 64 nM dans A549-ACE2-TMPRSS2. cellules. Ce composé présentait également une réaction croisée contre les variantes du SRAS-CoV-2. L’analyse cristallographique a montré que les interactions de ce composé avec le site de liaison de Mpro étaient distinctes de celles des inhibiteurs de Mpro approuvés.

Implications et perspectives futures des résultats de COVID Moonshot

Dans l’ensemble, l’étude a démontré le succès d’un programme de découverte d’antiviraux de science ouverte et sans brevet dans le développement d’une piste différenciée. Notamment, l’ensitrelvir approuvé au Japon a été identifié, en partie, sur la base de données cristallographiques partagées par COVID Moonshot. Ce projet et la principale série COVID-19 ont été adoptés dans le cadre de l’Initiative sur les médicaments contre les maladies négligées pour une optimisation plus poussée des pistes et du développement préclinique.