Une molécule-cage transporteuse d’oxygène

Formuler un substitut sanguin capable de transporter efficacement l’oxygène, sans toxicité biologique ou chimique, et dont la préparation serait peu coûteuse pour de très grandes quantités, est un graal qui remonte au XVII^ème siècle [1]. De nombreuses solutions ont été avancées, notamment à base d’hémoglobines, protéines d’origine humaine, animale ou bactérienne qui transportent l’oxygène dans le sang. Aucune piste n’a permis jusqu’à présent de proposer un produit acceptable par les autorités de santé.

Une équipe d'IRAMIS, en collaboration avec deux équipes de l'institut Frédéric Joliot, et avec une jeune start-up : LBP propose une nouvelle voie : Il est montré que la molécule CB₅(OH)₁₀ est capable de complexer efficacement dans sa cavité le dioxygène d'une solution physiologique [2]. CB₅(OH)₁₀ appartient à la famille des cucurbiturils, en référence à leur forme qui ressemble à celle d'une citrouille. La propriété d'encapsulation du dioxygène par CB₅(OH)₁₀ est comparable, en son principe, à celle de l'hémoglobine, principal vecteur de transport du dioxygène dans le sang. La start-up ambitionne de proposer un substitut sanguin entièrement thermostable et synthétique, donc sans aucun risque infectieux.

Fig.1 : CB₅(OH)₁₀ est capable de complexer O₂, et pourrait donc constituer un élément important dans la formulation d'un substitut sanguin

Proposer un substitut sanguin conservant les propriétés du sang humain en termes d'efficacité de transport de l'oxygène, d'innocuité chimique et biologique, de stabilité thermique et de facilité de synthèse à grande échelle est un défi qui n'est pas encore relevé. Diverses approches ont été proposées, par exemple l'utilisation d'émulsions perfluorées ou l'utilisation d'hémoglobines, d'origine humaine ou non, ou encore la culture de cellules souches transformées en globules rouges. Certaines de ces voies font actuellement l'objet d'investigations, mais présentent de sérieux défis à relever. Une équipe d'IRAMIS, en collaboration avec deux équipes de l'institut Frédéric Joliot, et une jeune start-up LBP, a découvert que la molécule CB₅(OH)₁₀ (notée 3, R=OH sur la figure ci-dessous), est capable de complexer efficacement le dioxygène en solution aqueuse.

Cette molécule fait partie de la famille des cucurbiturils, ainsi appelée du fait de sa forme rappelant celle des citrouilles. Les cucurbiturils résultent de la condensation de n unités glycoluryls avec le paraformaldéhyde en milieu acide. Les cucurbiturils connus en comportent entre 5 et 10 unités. Les plus petits d'entre eux, n = 5, sont les plus enclins à complexer des gaz. La petite cavité hydrophobe de ces cucurbiturils favorisent l'encapsulation de gaz, eux aussi hydrophobes, par la formation de liaisons intermoléculaires faibles appelées liaisons de van der Waals. C'est pourquoi l'étude s'est focalisée sur 3 cucurbiturils à 5 monomères vis-à-vis de la complexation de O₂.

La complexation a été évaluée par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton : des quantités variables d'oxygène ont été ajoutées à un échantillon contenant un cucurbituril en solution aqueuse. La RMN est particulièrement bien adaptée à cette mesure car le paramagnétisme inhérent à O₂ influe grandement sur les paramètres des spins nucléaires, en particulier sur la largeur des signaux et sur la vitesse de relaxation longitudinale, notée R₁, c'est-à-dire la vitesse à laquelle des spins nucléaires excités par une impulsion radiofréquence reviennent à leur état d'équilibre dans le champ magnétique.

Fig. 2 : À gauche, structure des trois cucurbiturils testés. Contrairement à la molécule 2, la molécule 3, CB₅(OH)₁₀, encapsule l'oxygène même en présence de chlorure de sodium à 0.9%, comme le montre, à droite, la modification du spectre pour les signaux marqués d'une étoile.

Sur les 3 cucurbiturils testés, l'un d'eux, noté 1, R=H sur la figure, ne montre aucune modification de la largeur des signaux RMN des protons. Les deux autres, R=CH₃ et R=OH, montrent une large variation de ce paramètre. Les cucurbiturils étant connus pour fortement complexer les cations, et le sodium étant aussi le cation le plus présent dans le sang; il a alors été décidé d'ajouter du chlorure de sodium à 0.9%, pour obtenir une solution de type physiologique, largement utilisée à des fins médicales. La complexation est cette fois obtenue au niveau des portails de la cavité, formés de fonctions carbonyles, dont les oxygènes sont représentés par les sphères rouges au centre la molécule sur la Fig.1, qui sont donc susceptibles de gêner la complexation de l'oxygène.

Pour le composé 2 R=CH₃, la largeur des signaux est très semblable en présence ou en l'absence d'oxygène, démontrant une encapsulation négligeable (voir les spectres de la figure 2).

A l'opposé, pour le composé 3 R=OH, une partie des signaux est très affectée par la présence d'oxygène. En faisant varier la concentration d'oxygène dissous, proportionnelle à sa pression dans la phase gazeuse au dessus de la solution, et en mesurant à chaque fois le facteur R₁, qui donne des résultats plus précis que la largeur des signaux, une constante de complexation de O₂ comprise entre 2300 et 3700 M^-1 est obtenue pour ce composé 3. Ceci permet d'estimer que 20 à 30 mM de cucurbituril permettent de transporter autant d'oxygène que sa concentration habituelle dans le sang.

Il reste maintenant à vérifier la non-toxicité de CB₅(OH)₁₀, mais tous les autres cucurbiturils testés jusqu'à présent se sont révélés très peu toxiques. Ce substitut sanguin pourrait aussi aider au transport du CO₂, issu de la respiration. Autre piste : d'autres molécules-cage, les bambusurils [3], sont aussi connues pour encapsuler les anions, ce qui est un atout quand on sait que le CO₂ est en équilibre dans le sang avec l'anion bicarbonate. La start-up LBP va poursuivre ces recherches dans l'objectif de proposer un substitut sanguin complet acceptable cliniquement et économiquement abordable.

Références :

[1] Artificial blood, S. Sarkar, Indian J. Crit. Care Med., 12 (2008) 140.
[2] Cucurbit[5]uril derivatives as oxygen carriers
G. Huber, P. Berthault, A.L. Nguyen, A. Pruvost, E. Barruet, J. Rivollier, M.-P. Heck & B. Prieur, Supramol. Chem., 31(10) (2019) 668.

[3] Functionalization of bambusurils by a thiol–ene click reaction and a facile method for the preparation of anion-free bambus[6]urils,
D. Azazna, M. Lafosse, J. Rivollier, J. Wang, I. Ben Cheikh, M. Meyer, P. Thuéry, J.‐P. Dognon, G. Huber, M.‐P. Heck, Chem. Eur. J., 24 (2018) 10793.

Brevet : « Cucurbituril derivatives as oxygen carriers« , Benoit Prieur, Marie-Pierre Heck et Gaspard Huber.

Voir aussi, magazine « Sciences et Avenir » : « Une « citrouille moléculaire » qui transporte de l'oxygène : un futur substitut sanguin ?« , par Camille Gaubert le 16/02/2020

Contacts CEA-IRAMIS : Gaspard Huber, P. Berthault, E. Barruet (NIMBE/LSDRM).

Collaborations :

J. Rivollier, M.-P. Heck, (DRF / Joliot / SCBM), Laboratoire LCB, CEA Saclay
A.L. Nguyen, A. Pruvost, (DRF / Joliot / SPI), Plateforme SMARt-MS, CEA Saclay
B. Prieur, LBP- Laboratoire Benoit Prieur,