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Synthèse et relations structure-activité cytotoxique et antibactérienne des dirchromones
L’exploration de l’espace chimique biologiquement pertinent requiert l’utilisation de règles ou de sources d’inspiration permettant de circonscrire les recherches au sein de l’immensité des assemblages possibles des atomes de carbone. Parmi ces stratégies, l’examen de substances d’origine naturelle conserve une place de choix, tant parce qu’elles fournissent des pistes qui auraient été difficilement accessibles par synthèse classique que parce qu’elles sont le résultat de coévolution de formes de vie les sécrétant précisément pour influencer d’autres organismes. Antérieurement, l’étude de l’arbuste Dirca palustris a permis d’y découvrir une famille de molécules soufrées, les dirchromones, présentant des activités cytotoxique et antibactérienne contre Staphylococcus aureus. Leur chaîne latérale comportant un vinylsulfoxyde les classe à l’écart des autres chromones végétales et leur fait donc couvrir une nouvelle niche de l’espace chimique. Cependant, leur faible abondance dans la plante ne permettait pas d’aller au-delà de leur simple catalogage. Dans le cadre de cette thèse, trois objectifs étaient donc poursuivis: développer une voie de synthèse de la dirchromone qui soit à la fois accessible, flexible et économe en étapes; déterminer la ou les caractéristiques structurales les plus critiques pour les activités biologiques; et explorer les relations entre des modifications structurales systématiques et les activités cytotoxique et antibactérienne. Dans un premier temps, une synthèse totale des dirchromones a été développée afin de contourner les écueils rencontrés par des approches classiques, avec comme étapes clé un réarrangement de Pummerer de transfert d’oxydation inusité et le premier exemple de réarrangement de Baker-Venkataraman en conditions d’énolisation douce rapporté dans la littérature. La démarche complète comporte sept étapes ayant permis de préparer la dirchromone à l’échelle du gramme avec un rendement global de 21 % à partir de réactifs facilement accessibles. Cette même synthèse s’est avérée adaptable, permettant d’introduire des substituants à de nombreuses positions du squelette et également de préparer d’autres chromones courantes. À ce stade, la cytotoxicité de la dirchromone synthétique a été validée sur 13 lignées cellulaires cancéreuses. En second lieu, mettant à profit cette synthèse, différentes modifications structurales ont été introduites sur le fragment moléculaire rendant la dirchromone unique, à savoir sa chaîne latérale soufrée. Il en ressort notamment que le degré d’oxydation du soufre est capital à l’expression de ses activités biologiques, le sulfoxyde étant plus cytotoxique alors que la sulfone est plus antibactérienne et le sulfide inactif dans les deux cas. Afin de mieux comprendre l’implication de la chaîne latérale sur la réactivité de la dirchromone, cette dernière a été soumise à un test pour mesurer son caractère d’accepteur de Michael par une réaction avec de la cystéamine suivie par résonnance magnétique nucléaire. Devant le comportement surprenant observé, les produits de la réaction ont été caractérisés, mettant en évidence une séquence de réactions combinant une addition de Michael, une élimination du fragment méthylsulfinyl et des conversions oxydoréductrices. La fluorescence de certains de ces produits a également permis de mettre en évidence l’occurrence de réactions similaires au sein du cytosol de cellules traitées avec la dirchromone. Troisièmement, 32 analogues de la dirchromone présentant différents substituants (méthylations, hétéroatomes, acylations et alkoxydations avec différentes longueurs et ramifications de chaînes alkyles, modifications du cycle) ont été préparés et criblés pour leurs activités cytotoxiques, antibactérienne gram-positive et antifongique. Les résultats ont montré une absence de corrélation entre les activités cytotoxique et antibactérienne, suggérant des mécanismes de toxicité distincts. Quelques dérivés ont montré de fortes différences d’activité, notamment par une réduction de la cytotoxicité par des groupements hydroxyle ou nitrile, alors que ce dernier augmentait le potentiel antibactérien. L’activité antifongique a émergé au fil de l’élongation des chaînes alkoxydes. Ces derniers dérivés, ainsi que la dirchromone bromée ou avec un cycle aromatique supplémentaire, sont légèrement plus cytotoxiques que le composé parent. Cependant, dans l’ensemble, le pharmacophore de la dirchromone a maintenu son activité dans la majorité des cas. Ce dernier pan du projet a donc démontré la robustesse de la dirchromone vis-à -vis la substitution de son noyau de base. Cette thèse marque donc une avancée de l’accessibilité et de la compréhension des activités biologiques des dirchromones en fonction de leur structure. Elle a permis de jeter un peu de lumière sur une portion de l’espace chimique biologiquement pertinent qui auparavant demeurait inexplorée et hors d’atteinte, offrant ainsi des perspectives de recherche plus précises autour de ce squelette unique.
The exploration of biologically relevant chemical space requires that some rules or sources of inspiration are used so as to achieve some degree of focus while scouting the vastness of theoretically possible carbon atoms assemblies. Among such strategies, the examination of naturally occurring substances retains a place of choice, both because this approach offers insight into structures that would have been hardly accessible through classical synthesis and because natural products are the result of constant coevolution of life forms secreting them precisely to influence other organisms. Previously, a study of the shrub Dirca palustris had led to the discovery of a family of sulfur-bearing compounds, dirchromones. These exerted cytotoxic activity and antibacterial potential against Staphylococcus aureus, and they covered a new niche of the chemical space owing to their peculiar side chain featuring a vinylsulfoxide moiety. However, their low availability from the plant material did not allow for more than mere cataloguing. In the course of this thesis, three objectives were therefore pursued: developing a synthesis of dirchromone combining accessibility, flexibility and a reasonable number of steps; determining the most relevant structural characteristics towards the biological activities; and exploring the relationship between systematic structural modifications and the cytotoxic and antibacterial activities. To begin with, a total synthesis of dirchromones was designed so as to circumvent the shortcomings of classical approaches, featuring as key steps an unusual Pummerer rearrangement allowing for an oxidation transfer, and the first reported example of a soft-enolization Baker-Venkataraman rearrangement. The whole protocol comprises seven steps which allowed to prepare dirchromone at the gram scale with an overall yield of 21 % from readily accessible reagents. The same synthesis was shown to be flexible, giving access to multiple substitutions of the core structure and also to other common chromones. At this stage, the cytotoxicity of synthetic dirchromone was confirmed on 13 malignant cell lines. Secondly, thanks to this synthetic route, various structural modifications were incorporated to the moiety that makes dirchromone unique, i.e., its sulfur-bearing side chain. This revealed in particular that the oxidation level of the sulfur was pivotal to the expression of the biological activities, with the sulfoxide being more cytotoxic whereas the sulfone was more antibacterial and the sulfide inactive in both cases. In order to grasp a broader understanding of the implication of the lateral chain on dirchromone’s reactivity, the latter was subjected to a study of its Michael acceptor behavior by reacting it with cysteamine and following the reaction by nuclear magnetic resonance. Since a surprising outcome was observed, some reaction products were characterized, highlighting a reaction sequence comprising a Michael addition, the elimination of the methylsufinyl fragment and redox conversions. The fluorescence of some of these products also highlighted that similar reactions occurred within the cytosol of cells to which dirchromone was administered. Furthermore, 32 analogs of dirchromone featuring various substituents (methylation, heteroatoms, acylation or alkoxidation with various chain lengths and branching, modification of the cyclic core) were prepared and screened for their cytotoxic, anti-Gram-positive bacteria and antifungal activities. The results showed a lack of correlation between antibacterial and cytotoxic activities, suggesting distinct toxicity mechanisms. A few derivatives induced strong difference in activity, especially by reducing cytotoxicity upon the introduction of hydroxyl or nitrile group, whereas the latter increased the antibacterial activity. An antifungal activity also arose as the alkoxide substituents’ chain length increased. The latter as well as dirchromones featuring a bromide or an additional aromatic ring were slightly more cytotoxic than the parent compound. That being said, as a whole, the pharmacophore of dirchromone maintained its activity in the majority of cases. This last part of the project therefore outlined the robustness of dirchromone towards substitution of its core structure. This thesis therefore furthered the accessibility and the understanding of the biological activities of dirchromone with regard to its structure. It hence shed a bit of light on a portion of the biologically relevant chemical space that previously remained unexplored and beyond reach, offering more precise research perspectives around this unique molecular entity
Isolation and Identification of Steroid and Flavonoid Glycosides from the Flowers of Allium gramineum
peer reviewedThe isolation and identification of β-sitosterol 3-O-β-glucopyranoside, quercetin 3-O-β-glucopyranoside, isorhamnetin 3,4'-di-O-β-glucopyranosideand isorhamnetin 3,7-di-O-β-glucopyranosidefrom the flowers of Allium gramineumthat growsin Georgia.The structures of isolated compounds havebeen determined by 1H and 13C nuclear magnetic resonance (NMR)
Isolation and Identification of Steroid and Flavonoid Glycosides from the Flowers of Allium gramineum. Available from: https://www.researchgate.net/publication/305851744_Isolation_and_Identification_of_Steroid_and_Flavonoid_Glycosides_from_the_Flowers_of_Allium_gramineum [accessed Aug 5, 2016]
Antiviral-guided fractionation and isolation of phenolic compounds from <i>Limonium densiflorum</i> hydroalcoholic extract
Essential oils from Bolivia. XV. herzogole, an original monoterpene benzodioxole from an essential oil from Pentacalia herzogii (Cabrera) Cuatrec
Over 15 years, with the support of a Canadian funding agency, the Universidad Mayor de San Simón, in Bolivia, undertook a large survey of aromatic plants of the South American country. More than a hundred species were studied under various aspects, including the production and characterization of essential oils. As part of this survey, the chemical composition of an essential oil sample obtained from Pentacalia herzogii (Asteraceae) growing wild in the High Valley region of the department of Cochabamba was determined by a combination of GC and GC-MS measurements. α-Pinene was the main constituent of this essential oil (34%), accompanied by limonene (22%) and germacrene D (7.5%) as well as an important fraction of methoxylated monoterpenoids. They were mainly isomers of thymol methyl ether, accounting for 13% of the chromatogram. A new quantitatively important compound (9%) was identified through NMR and chemical synthesis as 4-isopropyl-6-methylbenzo[d][1,3]dioxole, and designated herzogole, alongside the minor related compound 1-isopropyl-2,3-dimethoxy-5-methylbenzene. The monoterpene benzodioxole featured a distinctive green-phenolic aroma which could raise interest for fragrance use. Since these compounds were not known naturally, a biosynthetic mechanism of their formation was proposed and put in perspective to illustrate the metabolic originality of P. herzogii
Étude de la composition chimique et de l'activité biologique de Dirca palustris L
Aujourd’hui encore, près de la moitié des médicaments autorisés par les agences gouvernementales sont des molécules d’origine naturelle, ou des composés dérivés de celles-ci. Il existe encore un vaste potentiel de découverte de nouvelles molécules à intérêt thérapeutique chez les plantes, y compris dans le domaine du cancer où les besoins sont importants. L’arbuste nord-américain endémique Dirca palustris L. (dirca des marais), de la famille des Thymelaeaceae, a été utilisé par les Premières Nations du nord-est du continent pour traiter le cancer. Cette plante a donc été sélectionnée pour la recherche de têtes de série potentielles. Elle a fait l’objet de peu d’études phytochimiques, et l’activité cytotoxique in vitro importante de ses extraits n’a pas été expliquée à ce jour.
L’objectif principal de ce projet consistait à procéder au fractionnement bioguidé d’un extrait au dichlorométhane de l’écorce, du bois et des racines du dirca des marais, en vue d’isoler un ou plusieurs composés responsables de l’activité, particulièrement envers les cellules cancéreuses du poumon A-549. Plusieurs étapes de fractionnement chromatographique successives ont permis d’isoler 33 molécules appartenant à différentes familles chimiques. Les plus notables sont deux orthoesters diterpéniques de type daphnane, la huratoxine et la wikstrotoxine A; une famille de nouveaux métabolites secondaires soufrés, baptisés dirchromones, ainsi que la dircoxépine, de structure apparentée; et plusieurs nouveaux composés phénoliques, dont des alkyllignanes baptisés dircanols. On y retrouve également des lignanes, des flavones, un stilbène, une dicoumarine, une chromone, des phénylpropanoïdes et divers autres composés phénoliques. Tous les composés isolés ont été identifiés pour la première fois chez D. palustris. De ceux-ci, une vingtaine sont de nouvelles entités chimiques jamais rapportées dans la littérature.
Les daphnanes isolés permettent d’expliquer en partie la forte cytotoxicité des extraits (IC50 de 0,027 ?g/mL sur A-549 pour la fraction contenant les daphnanes). Les dirchromones y contribuent également par une activité cytotoxique variant selon la structure. Cette activité est sélective envers les cellules cancéreuses colorectales DLD-1. La plus importante activité est observée pour la structure de base de cette nouvelle classe de composés, la dirchromone, avec un IC50 de 1.0 ?M contre DLD-1 (contre 9 ?M et 10 ?M sur WS-1 et A-549), suivie de près par les dirchromones méthoxylées. Ces composés soufrés possèdent également une activité antibactérienne (MIC90 entre 7.8 et 62.5 ?M sur Staphylococcus aureus). Enfin, certains composés phénoliques isolés montrent également une activité cytotoxique.
Bref, ce projet a permis d’expliquer en partie l’activité cytotoxique de Dirca palustris L., en plus d’élargir les connaissances phytochimiques à son sujet. Il a notamment été l’occasion de rapporter pour la première fois des métabolites secondaires soufrés de structure originale chez les Thymelaeaceae
Dirchromones : cytotoxic organic sulfur compounds isolated from Dirca palustris
Eight novel organic sulfur compounds featuring an unprecedented structure among natural organosulfur molecules are reported. The identified compounds, named dirchromones (1-8), were isolated from a dichloromethane extract of the roots, bark, and wood of Dirca palustris, an endemic shrub of eastern North America. Their identification was based on thorough NMR, IR, and HRMS spectroscopic data interpretation. These compounds showed cytotoxic and mild Gram-positive antibacterial activities in vitro, while being inactive against Gram-negative Escherichia coli and the yeast Candida albicans. This is the first report of sulfur-containing compounds from a species of the Thymelaeaceae
The Biological Activity of Monarda didyma L. Essential Oil and Its Effect as a Diet Supplement in Mice and Broiler Chicken
The use of growth-promoting antibiotics in livestock faces increasing scrutiny and opposition due to concerns about the increased occurrence of antibiotic-resistant bacteria. Alternative solutions are being sought, and plants of Lamiaceae may provide an alternative to synthetic antibiotics in animal nutrition. In this study, we extracted essential oil from Monarda didyma, a member of the Lamiaceae family. We examined the chemical composition of the essential oil and then evaluated the antibacterial, antioxidant, and anti-inflammatory activities of M. didyma essential oil and its main compounds in vitro. We then evaluated the effectiveness of M. didyma essential oil in regard to growth performance, feed efficiency, and mortality in both mice and broilers. Carvacrol (49.03%) was the dominant compound in the essential oil extracts. M. didyma essential oil demonstrated antibacterial properties against Escherichia coli (MIC = 87 µg·mL−1), Staphylococcus aureus (MIC = 47 µg·mL−1), and Clostridium perfringens (MIC = 35 µg·mL−1). Supplementing the diet of mice with essential oil at a concentration of 0.1% significantly increased body weight (+5.4%) and feed efficiency (+18.85%). In broilers, M. didyma essential oil significantly improved body weight gain (2.64%). Our results suggest that adding M. didyma essential oil to the diet of broilers offers a potential substitute for antibiotic growth promoters
Soft-enolization Baker–Venkataraman Rearrangement Enabled Total Synthesis of Dirchromones and Related 2-Substituted Chromones
International audienceA seven-step total synthesis of the original scaffold of cytotoxic dirchromones involving an unprecedented soft-enolization Baker-Venkataraman rearrangement was designed. The methodology enabled access to naturally occurring dirchromone 1 (21% overall yield) at gram-scale, which was screened for cytotoxicity against 13 cancer cell lines. The scope of the soft-enolization Baker-Venkataraman rearrangement encompasses diversely substituted dirchromones, including flavonoids, 2-styrylchromones, and 2-phenylethylchromones
Effect of the chromone core substitution of dirchromone on the resultant biological activities
Dirchromone is a bioactive vinyl sulfoxide-bearing chromone first isolated from the shrub Dirca palustris. Altogether, 32 of its derivatives were prepared to assess the effect of substitution of its chromone core upon activities against cancer cell lines, Gram-positive bacteria, and fungi (such as Candida albicans). All compounds were synthesized following a synthetic strategy involving Pummerer and soft-enolization Baker–Venkataraman rearrangements. Substituent position changes induced little variability on the activities tested. There was no correlation between cytotoxic and antibacterial effects, suggesting different underlying mechanisms of action. In particular, hydroxy group and cyanide substituents diminished cytotoxicity, with the latter featuring enhanced antibacterial activity. Higher homologues of 6-alkoxydirchromones also exhibited progressively emerging antifungal activity. Other modifications had moderate effects on cytotoxicity with some derivatives leading to increased potency. This behavior highlights the robustness of the natural dirchromone pharmacophore toward decoration, thus paving the way for more elaborate future drug design
How to be sure to measure all the ammonia in the original samples by infrared spectroscopy / Comment s'assurer de mesurer toute l'ammoniac présente dans un échantillon par spectroscopie infrarouge
Infrared (IR) spectroscopy is used more and more to quantify different substances. Quantitative analysis puts some particular challenges when working with gas samples such as being sure of a calibration, the value of pressure and temperature, the amount of analyte with good precision.
While working with different gases, we have observed that ammonia, NH3(g), showed a variable signal with time. Some others observed the same phenomenon. Ammonia presents a particular challenge for quantification with a decreasing signal. We consider this phenomenon as adsorption on the inside walls of the cell; this is not surprising when one considers the polarity of the molecule and the literature based on this behaviour for this gas.
A series of experiments were made and quantitative results compared very well with calculations from validated data from the public database HITRAN