Fiche de révision : Découverte et développement des produits naturels

📋 Plan du Cours

1. Produits naturels et thérapeutique de demain
2. Objectifs de la recherche sur les produits naturels
3. Complémentarité médicaments et modèles moléculaires
4. Ethnopharmacologie et valorisation des plantes médicinales
5. Stratégie conventionnelle par bioguidage
6. Criblage robotisé et triage à haut débit
7. Préselection in silico et critères de drug-likeness
8. Fractionnement et isolement par biosuivi
9. Détermination structurale et déréplication
10. Évaluation pharmacologique et étapes vers l’AMM

📖 1. Produits naturels et thérapeutique de demain

🔑 Notions clés & Définitions

• Produits naturels : Les produits naturels sont des molécules issues d’organismes vivants, parfois inspirant des principes actifs de médicaments.
• Ethnopharmacologie : L’ethnopharmacologie est l’approche qui utilise les usages traditionnels pour orienter la sélection de candidats bioactifs.
• Biothérapies : Les biothérapies regroupent des traitements basés sur des biomolécules, dont la production peut être facilitée par des procédés biotechnologiques.
• Index Tanimoto : L’index de Tanimoto mesure la similarité structurale entre molécules, utile pour estimer l’originalité d’un nouveau produit naturel.

📝 Points essentiels

• Près de 50 % des principes actifs utilisés aujourd’hui sont d’origine naturelle ou inspirés de produits naturels.
• La recherche de produits naturels vise deux objectifs : trouver de nouveaux principes actifs (hits → leads) et valider l’usage traditionnel des plantes médicinales.
• La synthèse sur pharmacophore naturel permet d’obtenir rapidement de nombreux dérivés et d’accéder à des structures innovantes.
• La synthèse sur pharmacophore naturel est limitée par le fait que la structure obtenue dépend majoritairement d’un principe actif déjà connu et tend à éviter les structures très complexes.
• Les produits naturels offrent une vaste réserve de molécules originales et un tri biologique déjà fait via l’ethnopharmacologie, mais ils sont parfois difficiles à découvrir et à valoriser.
• Les biothérapies apportent de la nouveauté conceptuelle et peuvent être produites plus facilement (protéines et agents d’accompagnement), avec un coût d’accès aux molécules souvent plus favorable.

💡 Astuce mémo

PN = 2 objectifs (hits→leads + validation) ; Synthèse = dérivés rapides ; Nature = réserve + ethnopharmacologie ; Similarité = Tanimoto (originalité).

📖 2. Objectifs de la recherche sur les produits naturels

🔑 Notions clés & Définitions

• Plantes médicinales : Ensemble des plantes utilisées pour leurs effets potentiellement thérapeutiques, souvent appuyés par des savoirs traditionnels et étudiés chimiquement puis biologiquement.
• Ingrédients pharmaceutiques actifs : Molécules bioactives issues de sources naturelles ou synthétiques, capables d’agir sur des cibles biologiques et d’aboutir à des candidats médicaments.
• Hits : Résultats initiaux d’un criblage (souvent virtuel ou expérimental) montrant une activité ou une affinité prometteuse, à convertir en candidats plus pertinents.
• Leads compounds : Composés “pistes” issus de l’étape hit→lead, dont les propriétés sont améliorées pour augmenter l’efficacité et/ou réduire les limites.
• Ethnopharmacologie : Approche interdisciplinaire reliant savoirs traditionnels et études scientifiques pour développer des usages raisonnées des ressources naturelles à visée thérapeutique.

📝 Points essentiels

• La recherche sur les produits naturels vise un objectif double : découvrir de nouveaux IPA et valider l’usage traditionnel de plantes médicinales.
• La découverte de nouveaux IPA passe par l’identification de nouveaux noyaux/pharmacophores et de nouveaux analogues, ainsi que par l’obtention de nouvelles propriétés pour des produits déjà connus.
• L’exploration des produits naturels enrichit les chimiothèques et peut aussi conduire à de nouveaux moyens de production, avec une logique de durabilité.
• La validation de l’usage traditionnel s’appuie sur des cadres de soutien : la loi Grenelle II (2010, art. 97) prévoit un rapport sur l’encouragement de la recherche pour valoriser la pharmacopée ultramarine.
• La validation s’inscrit aussi dans les recommandations OMS (encouragement des études des médecines traditionnelles, avec une chaîne Sécurité → Qualité → Accès équitable).
• L’ethnopharmacologie vise des phytomédicaments non toxiques et efficaces, sensibilise les populations locales, forme pour améliorer la santé, et cherche l’intégration des médecines traditionnelles dans les systèmes de so

💡 Astuce mémo

Double objectif : Découvrir (hits→leads→IPA) + Valider (tradition → Sécurité/Qualité/Accès).

📖 3. Complémentarité médicaments et modèles moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioguidage : Le bioguidage est une stratégie de recherche où l’on fractionne un extrait naturel en suivant l’activité biologique jusqu’à isoler le(s) composé(s) responsable(s).
• Extractothèque : Une extractothèque est une collection organisée d’extraits issus d’organismes naturels, prête pour le criblage sur des cibles biologiques.
• Chimiothèque : Une chimiothèque est une collection de composés ou fractions issus des extraits, structurée pour le screening et la découverte de médicaments.
• Ciblothèque : Une ciblothèque est une collection de cibles biologiques (liées à une pathologie) utilisée pour tester les extraits et sélectionner ceux qui sont actifs.
• Hotspot de biodiversité : Un hotspot de biodiversité est une région à forte endémicité végétale et fortement menacée, servant de zone prioritaire d’échantillonnage.

📝 Points essentiels

• Le principe conventionnel de la recherche de produits naturels bioactifs repose sur le bioguidage, c’est-à-dire un fractionnement guidé par l’activité biologique.
• La démarche conventionnelle enchaîne typiquement criblage, isolement des principes actifs, détermination structurale, puis évaluation pharmacologique avant développement vers l’AMM.
• La sélection d’extraits actifs sert de pivot pour constituer successivement une extractothèque puis une chimiothèque, en vue du screening et de la drug discovery.
• Le bioguidage répond à la question « quels produits exploitables et où ? » en reliant organismes naturels, pathologies et activité mesurée sur des cibles.
• Pour construire une extractothèque, il faut d’abord échantillonner des organismes vivants en tenant compte de la diversité, de l’investissement, de l’accès légal/pratique, de l’identifiabilité et des contraintes de logis
• Les hotspots de biodiversité sont définis par deux critères stricts : au moins 1 500 plantes vasculaires endémiques et 30% ou moins de la végétation naturelle d’origine restante.

💡 Astuce mémo

Bioguidage = « activité → fractionnement → composé actif » ; Extractothèque → Chimiothèque ; Hotspot = « endémiques élevées + végétation restante faible ».

📖 4. Ethnopharmacologie et valorisation des plantes médicinales

🔑 Notions clés & Définitions

• Ethnopharmacologie : Domaine reliant l’usage traditionnel des plantes médicinales à la recherche de composés biologiquement actifs.
• Échantillothèque : Collection organisée d’échantillons d’organismes (plantes, micro-organismes, etc.) destinée à être conservée et réutilisée pour la recherche.
• Extracothèque : Collection d’extraits obtenus à partir d’organismes naturels, préparés pour des tests biologiques et/ou des analyses chimiques.
• Chimiothèque : Bibliothèque de composés ou fractions issus d’extraits, structurée pour faciliter l’identification et l’évaluation de produits naturels bioactifs.
• APA : Cadre juridique d’accès aux ressources génétiques et de partage des avantages issus de leur utilisation, incluant consentement et accord préalable.

📝 Points essentiels

• La biodiversité est fortement concentrée dans des zones de forte endémicité, ce qui rend certains taxons plus vulnérables aux extinctions.
• Les estimations citées indiquent environ 71% de la surface du globe couverte par des hotspots marins et une estimation de 50% de la biodiversité répartie entre ~10^6 plantes/animaux et ~10^9 microorganismes.
• Les échantillonnages terrestres et l’ethnopharmacologie posent des contraintes d’accès à la ressource, conduisant à des choix stratégiques des plantes et des parties collectées.
• Les collections peuvent inclure des micro-organismes d’origines variées, dont des organismes extrêmophiles et des micro-organismes endo-/épi-phytes, ainsi que ceux de coquillages, sédiments et eau de mer.
• Le changement de paradigme des années 2010 vise à rechercher des produits naturels à partir de la biodiversité en combinant approche micro et macro.
• En France, l’APA impose un accord préalable/consentement éclairé et un contrôle des activités des laboratoires travaillant sur des ressources génétiques, avec labellisation des collections mentionnée dans le cours.

💡 Astuce mémo

APA = Accord Préalable + Accord éclairé + Partage des Avantages (3A).

📖 5. Stratégie conventionnelle par bioguidage

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioguidage : Stratégie de découverte où l’on suit l’activité biologique pour guider le choix des extraits et des fractions jusqu’aux composés actifs.
• Extractothèque : Collection organisée d’extraits végétaux ou microbiens, préparés et stockés pour tester des activités et accélérer l’identification de bioactifs.
• SPE : Solid Phase Extraction, technique de pré-purification sur colonne qui conditionne, charge, lave puis élue pour obtenir un extrait plus propre.
• Tests de triage : Série de tests in vitro utilisés pour sélectionner rapidement les extraits prometteurs avant d’aller vers l’isolement de molécules.
• CI50 : Concentration inhibitrice 50% utilisée comme critère quantitatif pour juger la cytotoxicité d’un extrait ou d’une molécule.

📝 Points essentiels

• Le bioguidage vise soit l’extraction de tous les métabolites d’un échantillon, soit l’extraction ciblée d’une famille de molécules.
• Le choix du solvant dépend de la compatibilité avec l’échantillon et avec les méthodes d’analyse ou les tests biologiques.
• La chaîne de préparation d’une extractothèque pour macro-organismes comprend broyage, extraction solide-liquide, filtration, évaporation, puis pré-purification et pré-fractionnement (concentration) avant conditionnement/
• La chaîne pour micro-organismes part d’une extraction depuis le milieu (solide ou liquide) de la biomasse, suivie de filtration, évaporation, puis pré-purification.
• La SPE suit 4 étapes : conditionnement de la colonne, chargement de l’échantillon/extrait, lavage pour éliminer les impuretés, puis élution de l’extrait pré-purifié.
• Les tests de triage questionnent l’activité : tester les extraits, puis isoler les produits naturels bioactifs à partir des hits retenus par critères d’activité et de sélectivité.

💡 Astuce mémo

Bioguidage = Activité → Fraction → Molécule (on avance en suivant les résultats des tests).

📖 6. Criblage robotisé et triage à haut débit

🔑 Notions clés & Définitions

• HTS : Le HTS est un criblage à très haut débit qui teste rapidement un grand nombre d’échantillons pour repérer des activités biologiques.
• HCA : La HCA est une analyse à haut contenu qui exploite des informations riches (souvent issues d’images/mesures multiples) pour caractériser les réponses.
• HCS : Le HCS est un triage à haut débit basé sur des mesures à haut contenu afin de sélectionner les candidats les plus prometteurs.
• High Content Analysis : High Content Analysis désigne l’approche d’analyse à haut contenu utilisée pour extraire des caractéristiques détaillées des réponses biologiques.
• High Content Screening : High Content Screening désigne le criblage/triage à haut débit fondé sur l’analyse à haut contenu pour sélectionner des extraits actifs.

📝 Points essentiels

• Le HTS (High Throughput Screening) correspond à une robotisation des criblages en R&D pour augmenter fortement le nombre de tests réalisés.
• Le chaînage indiqué est HTS → HCA → HCS, où l’analyse à haut contenu sert au triage à haut débit.
• HCA est explicitement défini comme High Content Analysis, et HCS comme High Content Screening.
• Le triage à haut débit sert à sélectionner des extraits actifs sur au moins un test parmi une grande collection (chimiothèque/ciblothèque).
• La section relie aussi la démarche de sélection à des étapes en aval : isolement de produits naturels bioactifs et modélisation type « drug design » (FBDD) pour affiner les candidats.

💡 Astuce mémo

HTS = volume, HCA = détails, HCS = tri final (HTS→HCA→HCS).

📖 7. Préselection in silico et critères de drug-likeness

🔑 Notions clés & Définitions

• Drug-likeness : Propriété globale d’une molécule suggérant sa compatibilité probable avec des médicaments, évaluée via des descripteurs physicochimiques et des filtres de criblage.
• Chimiothèque : Banque de molécules (ou structures) utilisée pour sélectionner des candidats avant expérimentation, notamment via des criblages in silico.
• Librairie LogP : Ensemble de valeurs de lipophilie (LogP) utilisé comme critère de sélection pour limiter les composés trop lipophiles ou trop hydrophiles.
• HTS : High Throughput Screening, criblage à haut débit permettant de tester rapidement de nombreuses molécules ou extraits.
• HCA : High Content Analysis, analyse d’images/mesures multiples sur cellules ou systèmes biologiques pour caractériser des phénotypes et guider la sélection.

📝 Points essentiels

• La préselection in silico sert à trier les banques chimiques avant les tests, afin de réduire le nombre de candidats à cribler expérimentalement.
• Des critères de drug-likeness cités incluent une masse molaire PM < 500 Da et un intervalle de LogP entre 2,5 et 3.
• Le critère d’accessibilité à l’absorption (Acc) est donné comme Acc < 10 et le critère de disponibilité/données (Donn) comme Donn < 5.
• Le criblage à haut débit s’enchaîne typiquement en HTS puis triage via HCA, et HCS correspond à HTS combiné à HCA.
• HCA exploite le développement de l’imagerie pour obtenir plusieurs informations par test, par exemple des sous-types cellulaires, des phénotypes, ou des cibles moléculaires et la répartition intra-cellulaire.

💡 Astuce mémo

PM < 500 + LogP 2,5–3 + Acc < 10 + Donn < 5 = filtre “petit et équilibré” avant HTS/HCA.

📖 8. Fractionnement et isolement par biosuivi

🔑 Notions clés & Définitions

• Fractionnement par biosuivi : Méthode de fractionnement guidée par des tests biologiques pour isoler progressivement les principes actifs d’un extrait naturel.
• Bioguidage : Approche où chaque fraction est évaluée par un test biologique afin de diriger le fractionnement vers les fractions les plus actives.
• Déréplication : Identification des molécules déjà connues présentes dans un extrait brut, sans isolement préalable, pour estimer la nouveauté.
• CI50 : Concentration inhibitrice 50% qui mesure la puissance d’un composé en indiquant la concentration nécessaire pour réduire l’effet biologique de 50%.
• Données spectrales : Ensemble des informations analytiques (UV, MS, IR, RMN) utilisées pour caractériser et confirmer l’identité structurale d’une molécule.

📝 Points essentiels

• Le bioguidage consiste à fractionner un extrait puis à tester chaque fraction pour suivre l’activité jusqu’à l’obtention d’une molécule bioactive purifiée.
• Le risque majeur lors de l’isolement est la ré-isolement de produits déjà connus, d’où l’intérêt de la déréplication avant d’aller trop loin.
• Les écueils du fractionnement par biosuivi incluent pertes d’activité par synergies, pertes par dégradation, présence de composés non isolables (traces) et composés « morts-nés ».
• La déréplication vise à identifier l’ensemble des molécules connues dans un extrait brut et à relier la composition à la bioactivité observée pour juger la nouveauté.
• Les outils de déréplication combinent des données physico-chimiques (ex. CLHP/CPG avec multiples détecteurs) et des ressources bibliographiques/bases spectrales pour maximiser l’exhaustivité.
• La détermination structurale s’appuie sur des données acquises comme la polarité et le comportement chromatographique, puis sur UV, MS, IR et RMN pour confirmer la structure.

💡 Astuce mémo

Bioguidage = Bio + Guidage : test biologique à chaque fraction pour « suivre » l’activité jusqu’au pur.

📖 9. Détermination structurale et déréplication

🔑 Notions clés & Définitions

• Déréplication physico-chimique : La déréplication physico-chimique est une démarche d’identification rapide d’un composé connu à partir de ses signatures analytiques avant tout isolement complet.
• CL-SM/SM : CL-SM/SM désigne la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem pour comparer des fragments à des références.
• SM² m/z 353 : SM² m/z 353 correspond à un ion fragment sélectionné en MS/MS dont le motif de fragments sert à la comparaison structurale.
• Configuration relative : La configuration relative est l’arrangement stéréochimique des substituants déterminé avant d’accéder à la configuration absolue.
• Configuration absolue : La configuration absolue est la stéréochimie exacte déterminée par une méthode de référence, ici la diffraction des rayons X (RX).

📝 Points essentiels

• La déréplication physico-chimique combine lmax (212/235/294 nm), le motif SM/SM autour de m/z 353 (321/285/215/165) et le temps de rétention tR à normaliser.
• La comparaison aux bases de données s’appuie sur une liste de métabolites/espèces et sur la base de données de la méthode de référence.
• L’exemple MMS42-YES montre 7 molécules connues identifiées dans l’extrait brut par déréplication, sans correspondance avec l’activité neuroactive recherchée.
• L’exemple d’extrait neuroactif conclut à un potentiel d’innovation quand aucune des molécules connues associées à la neuroactivité n’est détectée.
• La détermination structurale suit une séquence bioguidée : sélection d’un extrait actif, isolement, détermination de la configuration relative, puis synthèse pour confirmer la structure et la configuration absolue.
• La confirmation de la configuration absolue est réalisée par RX après synthèse, ce qui valide aussi l’intérêt biologique et l’activité de la molécule.

💡 Astuce mémo

UV→MS/MS→tR : 212/235/294 + fragments m/z 353 + rétention normalisée = déréplication; puis relatif → synthèse → RX pour absolu.

📖 10. Évaluation pharmacologique et étapes vers l’AMM

🔑 Notions clés & Définitions

• Isolement par bioguidage : Méthode d’extraction où l’activité biologique guide les étapes successives pour isoler la fraction puis la molécule responsable.
• Détermination structurale : Ensemble des analyses qui établissent la structure d’une molécule naturelle, notamment sa configuration relative.
• Configuration absolue : Détermination de l’arrangement exact des atomes dans l’espace, souvent confirmée par diffraction des rayons X (RX).
• Hémisynthèse d’analogues : Transformation chimique partielle d’un composé naturel pour obtenir des analogues structuraux et explorer l’espace des structures actives.
• AMM : Autorisation de mise sur le marché délivrée après un dossier intégrant données pharmaco-tox, analytique, formulation et essais cliniques.

📝 Points essentiels

• Le développement part de l’isolement de la molécule active à partir de lignées saines, puis d’un isolement guidé par l’activité biologique.
• La structure est d’abord établie avec la configuration relative, puis la confirmation de la configuration absolue se fait par RX après synthèse de la molécule.
• L’intérêt pharmacologique se confirme par des essais d’activité, avant d’engager des études précliniques in vivo sur modèles de tumeurs osseuses chez la souris.
• Le passage à l’optimisation inclut souvent une hémisynthèse d’analogues structuraux pour améliorer l’activité et/ou la faisabilité.
• La production initiale vise seulement quelques dizaines de mg pour permettre les confirmations structurales, les tests et la montée en développement.
• Le pré-développement d’un produit anti-prolifératif sur ostéosarcome s’appuie sur une stratégie de brevet FR puis PCT et sur des étapes pharmaco/toxico et analytiques avant la clinique.

💡 Astuce mémo

Bioguidage = activité qui “pilote” l’isolement ; Structure relative puis RX pour verrouiller l’absolu ; Synthèse → activité → préclinique → clinique → AMM.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Synthèse sur pharmacophore naturel vs produits naturels vs biothérapies

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre bioguidage et déréplication : le bioguidage suit l’activité pour fractionner jusqu’à la molécule, la déréplication identifie rapidement des molécules connues dans un extrait brut.
2. Croire que l’index de Tanimoto mesure l’activité : dans le cours, il sert à estimer l’originalité structurale (ex. moins d’originalité si index < 0.4).
3. Mélanger HTS/HCA/HCS : HTS = volume/robotisation, HCA = analyse à haut contenu, HCS = triage à haut débit (HTS + HCA).
4. Appliquer la règle des 5 de Lipinski comme seuils d’activité : c’est un filtre de drug-likeness/ADME (ex. masse < 500 Da, LogP, donneurs/accept. d’H), pas une preuve pharmacologique.
5. Penser que la déréplication remplace l’isolement : elle sert à estimer la nouveauté et éviter de ré-identifier des composés connus avant d’aller trop loin.
6. Oublier que la configuration absolue est confirmée par RX après synthèse : la configuration relative est déterminée avant, puis la synthèse permet la validation RX.
7. Confondre extractothèque/chimiothèque/ciblothèque : extractothèque = collection d’extraits, chimiothèque = collection de composés/fractions, ciblothèque = collection de cibles liées à des pathologies.

✅ Checklist Examen

1. Expliquer le double objectif de la recherche sur les produits naturels : hits→leads (nouveaux IPA) et validation de l’usage traditionnel.
2. Relier les notions PN, ethnopharmacologie, biothérapies et index Tanimoto aux avantages/limites décrits dans le cours.
3. Décrire la stratégie conventionnelle par bioguidage : criblage, isolement, détermination structurale, évaluation pharmacologique vers le développement/AMM.
4. Justifier comment on construit une extractothèque puis une chimiothèque à partir d’extraits actifs et d’une ciblothèque (pathologies/cibles).
5. Donner les deux critères stricts d’un hotspot de biodiversité (plantes vasculaires endémiques et % de végétation naturelle restante).
6. Lister les étapes de préparation d’une extractothèque pour macro-organismes et pour micro-organismes (broyage/extraction, filtration/évaporation, pré-purification, pré-fractionnement).
7. Expliquer le rôle du choix des solvants et du type d’extrait (but : extraire tous les métabolites ou un seul spécifiquement) et donner l’idée de compatibilité avec tests/analyses.
8. Décrire la chaîne HTS→HCA→HCS et ce que l’imagerie apporte en HCA (multiples informations par test).
9. Présenter la préselection in silico (drug-likeness) avec les critères cités (PM < 500 Da, LogP intervalle, Acc, Donn, Donn/accept. d’H, Donn < 5).
10. Expliquer le fractionnement par biosuivi (bioguidage) et les risques d’écueil lors de l’isolement (synergies, dégradation, traces non isolables, morts-nés).
11. Décrire la déréplication physico-chimique : lmax (212/235/294), motif SM/SM autour de m/z 353, normalisation tR, puis comparaison bases de données.
12. Décrire la séquence de détermination structurale et validation : configuration relative, synthèse, puis configuration absolue par diffraction des rayons X (RX), et enchaîner avec évaluation pharmacologique, essais in viv
13. Expliquer le passage vers l’AMM : production initiale (quelques dizaines de mg), essais précliniques, hémisynthèse d’analogues, brevet FR puis PCT, puis développement para-clinique/clinique et AMM.