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Séance thématique du 19 mai 2010 sur le métabolisme des xénobiotiques
Introduction générale par Pr Maurice-Bernard FLEURY, Professeur Emérite, Université Paris
Descartes, membre de l’Académie nationale de Pharmacie
« Progrès récents sur les structures et les mécanismes d’action des monooxygénases à cytochrome
P450 : vers une prévision des conséquences de leurs implications en pharmacologie et toxicologie »
Dr Daniel MANSUY, CNRS UMR 8601, Chimie et biochimie pharmacologiques et toxicologiques,
Université Paris Descartes, 45 rue des Saints-Pères, 75270 Paris cedex 06
Diapositives présentées
Les progrès spectaculaires récents de notre connaissance des enzymes du métabolisme des xénobiotiques
et de leurs implications en pharmacologie et toxicologie ont abouti à ce que le métabolisme des
médicaments et la pharmacocinétique deviennent des disciplines indispensables à divers stades de la
recherche et du développement des médicaments, au même titre que la pharmacochimie, la
pharmacologie, et la toxicologie. Les enzymes responsables de l’oxydation métabolique des
xénobiotiques jouent un rôle particulièrement important à cet égard. Très récemment (2008), une
recommandation de la FDA (Food and Drug Administration) demandant que certains métabolites de
médicaments formés chez l’homme fassent l’objet d’une étude toxicologique a souligné l’importance de
caractériser et de préparer ces métabolites le plus tôt possible, et de déterminer les mécanismes de leur
formation ainsi que leurs effets toxiques éventuels.
Les monooxygénases à cytochrome P450 jouent un rôle clé dans le métabolisme des médicaments et
autres xénobiotiques, avec tout ce que cela implique pour la biodisponibilité des médicaments, ainsi que
pour l’apparition d’éventuels effets néfastes de ces médicaments, dus à des problèmes de polymorphisme
génétique, d’interaction médicamenteuse, ou de formation de métabolites réactifs toxiques. Après un
historique rapide du développement de nos connaissances sur cette superfamille d’enzymes, les progrès
récents concernant les structures et les mécanismes catalytiques des principaux cytochromes P450
humains seront présentés. Ces résultats ont permis de mieux connaître les bases moléculaires de
l’adaptation des êtres vivants aérobies à leur environnement chimique, c’est-à-dire aux composés de
structures très variées apparaissant dans leur environnement (« stress chimique »).Les progrès réalisés ont
déjà conduit à des applications dans les domaines de l’accès rapide à des quantités substantielles des
métabolites d’oxydation des médicaments, de la détermination du mécanisme de la bioactivation
métabolique de certaines « prodrugs », de l’interprétation et de la prévision de diverses interactions
médicamenteuses, ainsi que de la prévision de la toxicité des xénobiotiques. Tout ceci sera illustré à l’aide
de résultats récents qui montrent que l’on peut passer de la « constatation » du métabolisme des
médicaments et de ses conséquences pharmacotoxicologiques à la prévision, au moins partielle, de ce
métabolisme et de ses conséquences.
« Variabilité de l’expression des enzymes du métabolisme des médicaments et conséquences
pharmaco- toxicologiques »
Pr Philippe BEAUNE, INSERM UMRS 775, Bases moléculaires de la réponse aux xénobiotiques,
Université Paris Descartes, 45 rue des Saints-Pères, 75270 Paris cedex 06
Les enzymes du métabolisme des médicaments jouent un rôle crucial dans l’élimination des
médicaments et dans la production potentielle de métabolites réactifs. Ces deux phénomènes sont
dépendants de la nature et de la quantité de ces enzymes dont l’expression est très variable. Les causes de
variation de cette expression sont nombreuses : environnementales (inhibition, induction, interactions
médicamenteuses), physio-pathologiques, génétique (pharmaco-toxico- génétique).
Dans cet exposé plusieurs exemples illustreront ces variations et leurs conséquences :
Les variations génétiques sont importantes et ont des conséquences importantes dans le métabolisme de
nombreux médicaments :
- ainsi la transformation de la codéine en morphine est dépendante du CYP 2D6 pour lequel il
existe des métaboliseurs lents ou ultra rapides avec des conséquences cliniques délétères. Ce
même enzyme est responsable de la production d’un métabolite toxique de la perhexilline.
- la transformation du Clopidogrel en métabolite actif est dépendante du CYP2C19 ; il a été montré
récemment que les patients déficients en CYP2C19 étaient moins efficacement traités que les
patients métaboliseurs rapides pour ce CYP.
Les variations environnementales sont également importantes. Les immuno-suppresseurs sont de bons
exemples pour montrer comment l’induction ou l’inhibition sont la cause d’interactions médicamenteuses
délétères.
La compréhension de la production des métabolites des médicaments est importante car elle joue un rôle
crucial dans l’élimination, l’efficacité et la toxicité des médicaments.
Les variations individuelles des enzymes du métabolisme des médicaments sont importantes à
appréhender pour permettre le développement d’une thérapeutique personnalisée, prédictive, plus
efficace et moins toxique.
« Enzymes FAD-dépendantes impliquées dans l’oxydation métabolique des xénobiotiques »
Dr Margherita STROLIN-BENEDETTI UCB Pharma SA, 21 rue de Neuilly, Nanterre
Diapositives présentées
Même si la famille des cytochromes P450 (CYPs) représente une proportion élevée de réactions
métaboliques oxydatives, d’autres enzymes, telles que les enzymes à flavine adénine
dinucléotides (FAD), jouent un rôle significatif dans l’oxydation métabolique des médicaments
et autres xénobiotiques. Il s’agit des monooxygénases (FMOs), des hydroxylases à molybdène
[aldéhyde oxydases (AO) et xanthine oxydases (XO)], ainsi que des amines oxydases
[monoamines (MAOs) et polyamines (PAOs)]. Les amines oxydases ne contenant pas de FAD
mais du cuivre feront l’objet de l’exposé suivant.
Monooxygénases à flavine (FMOs)
Les FMOs sont des enzymes microsomiales ayant comme groupe prosthétique la flavine
adénine dinucléotide (FAD) et comme cofacteur le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate
(NADPH). Ces enzymes catalysent l’oxygénation de nombreux xénobiotiques contenant un
hétéroatome (soufre, azote ou phosphore). A ce jour, on connaît chez l’homme cinq formes de
FMOs fonctionnelles (FMO1-FMO5). Dans le foie, prédominent les formes FMO5 et FMO3.
Cette dernière métabolise la triméthylamine (TMA) en TMA N-oxyde et présente un
polymorphisme. Parmi les xénobiotiques métabolisés par les FMOs, on trouve la nicotine, la
cimétidine, la ranitidine, l’olopatadine, la clozapine et le tamoxifen, ainsi qu’une neurotoxine, la
N-méthyl phényl-4 tétrahydro-1,2,3,6 pyridine (MPTP).
Hydroxylases à molybdène (aldéhyde oxydase et xanthine oxydase)
Les hydroxylases à molybdène, qui se trouvent dans le cytosol, sont des flavoprotéines dont le
site actif contient un cofacteur à ptérine qui coordonne un atome de molybdène. L’aldéhyde
oxydase (AO) et la xanthine oxydase (XO) sont similaires du point de vue structural, mais
diffèrent en ce qui concerne les substrats et les inhibiteurs. L’AO et la XO catalysent l’oxydation
d’un grand nombre de N-hétérocycles et d’aldéhydes, ces derniers en acides carboxyliques. Du
point de vue physiologique, la XO est engagée dans de nombreuses réactions biochimiques, dont
le métabolisme des purines.
Séance thématique / Convocation / 19.05.2010 3/3
Monoamine oxydases (MAOs)
Les MAOs catalysent l’oxydation des amines primaires, secondaires et tertiaires. Les produits
de la réaction, potentiellement toxiques, sont l’ammoniaque, pour les amines primaires, le
peroxyde d’hydrogène et un aldéhyde, métabolisé ultérieurement en acide carboxylique par les
aldéhydes déshydrogénases / AOs, ou en alcool par les aldéhydes réductases. Les MAOs sont
des enzymes intracellulaires, liées à la membrane externe des mitochondries. On distingue deux
isoenzymes, la MAO A et la MAO B, qui ont une spécificité différente de substrats et
d’inhibiteurs. Chez l’homme, les MAOs sont présentes dans tous les tissus, à l’exception des
globules rouges. Si les activités des deux isoenzymes sont élevées dans le foie, une seule forme
s’exprime dans certains tissus : la MAO-A prédomine dans le placenta et l’intestin ; la MAO B,
dans les plaquettes. Parmi les médicaments ou autres xenobiotiques métabolisés, ou supposés
l’être, par les MAOs, on peut citer des agonistes et antagonistes des récepteurs -adrénergiques
(phénylephrine, propranolol), des dérivés de la phényléthylamine (ibopamine), des inhibiteurs de
la MAO (phénelzine), des agonistes des récepteurs sérotoninergiques 5HT1 (triptans), des
inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine (citalopram, sertraline), des agonistes et
antagonistes de l’histamine (betahistine, diphenhydramine), ainsi que des toxines tel que le
MPTP.
« Amine-oxydases appartenant à la famille des quinoprotéines : leur implication dans l’oxydation
métabolique des xénobiotiques »
Dr Martine LARGERON, UMR 8638 associée au CNRS et à l’Université Paris Descartes, Faculté des
Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 av. de l’Observatoire, Paris
Diapositives présentées
Les amines oxydases à cuivre (CuAOs) sont des enzymes ubiquitaires. Elles diffèrent des amines
oxydases à flavine (FAD-dépendantes), présentées dans l’exposé précédent, par une activité métabolique
sélective envers les amines primaires, qu’il s’agisse de substrats endogènes ou de xénobiotiques. La
classe des enzymes CuAOs humaines inclut les amines oxydases sensibles à la semicarbazide (SSAOs),
les diamines oxydases (DAOs) et les lysyl oxydases (LOs). Elles sont caractérisées par deux cofacteurs :
un ion cuivrique et un cofacteur organique quinonique. A l’exception des LOs dont le site actif est la
lysine tyrosylquinone (LTQ), les CuAOs utilisent comme site actif la 2,4,5-trihydroxyphénylalanine
quinone ou topaquinone (TPQ).
Récemment, un intérêt particulier a été porté à la famille des SSAOs humaines depuis la découverte de
leur identité avec la protéine d’adhésion vasculaire humaine (VAP-1), qui joue un rôle régulateur dans la
circulation des leucocytes et l’assimilation du glucose. Les SSAOs humaines sont présentes dans les
membranes cellulaires de nombreux tissus et dans le plasma sanguin, et ont pour action de réguler les
niveaux respectifs des monoamines et polyamines (amines primaires seulement), en catalysant leur
désamination oxydante, avec production concomitante de composés cytotoxiques (peroxyde d’hydrogène,
ammoniac et aldéhydes).
Dans de nombreuses pathologies, tels que les maladies inflammatoires, neurodégénératives, le diabète,
l’activité métabolique des SSAOs est accrue. Par exemple, les SSAOs catalysent la désamination
oxydante de la méthylamine, générée au cours du métabolisme de l’adrénaline par les MAOs, ainsi que
celle de l’aminoacétone, un catabolite de la thréonine et de la glycine. Ces substrats endogènes produisent
respectivement le formaldéhyde et le méthylglyoxal, lesquels participent à la formation de produits de
glycation avancée (AGEs) à l’origine des complications vasculaires observées chez les diabétiques. Ces
aldéhydes sont aussi capables d’induire des liaisons croisées (cross-linking), responsables d’une
augmentation de taille des aggrégats et de la formation de la plaque b-amyloïde, deux phénomènes
observés dans le développement de la maladie d’Alzheimer. Dans le cas des cancers, on observe une
accumulation de polyamines, métabolites de la L-arginine et de la L-méthionine (putrescine, spermidine et
spermine). Ces amines sont directement impliquées dans les phénomènes de prolifération et de
différenciation cellulaires. Récemment, il a été envisagé que les amine oxydases ouvrent de nouvelles
perspectives dans la thérapie des cancers : en injectant des amine oxydases dans les cellules tumorales, les
produits toxiques issus de l’oxydation enzymatique (peroxyde d’hydrogène et aldéhydes), inhibiteurs de
la prolifération cellulaire, seraient engendrés au niveau intracellulaire pour tuer sélectivement les cellules
tumorales in situ.
Au travers de réactions de modélisation, utilisant de petites entités chimiques comme mimes de CuAOs et
la benzylamine comme substrat exogène, un mécanisme « ping-pong » a été proposé pour le processus
catalytique. Toutefois, ces petites molécules se sont avérées sans action sur les substrats endogènes des
Séance thématique / Convocation / 19.05.2010 4/3
CuAOs, contrairement à un modèle élaboré au laboratoire, qui sera brièvement présenté en raison de son
activité sélective sur des amines physiologiques telles que méthylamine, aminoacétone, putrescine et
spermidine. Enfin, seront évoqués les travaux récents réalisés par une firme pharmaceutique américaine
(LJP) concernant l’élaboration d’inhibiteurs de SSAOs utilisables dans le traitement des maladies
inflammatoires.
Conclusion et Perspectives par Pr Henri-Philippe HUSSON,
Vice-président de l’Académie nationale de Pharmacie
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