An integrated in silico and in vitro approach for the identification of potent novel PAD4 inhibitors

Dans le système immunitaire du corps, un type spécifique de globule blanc appelé neutrophile agit comme une équipe d'intervention rapide, se précipitant sur les sites d'infection ou de blessure pour neutraliser les menaces. Lorsque ces cellules rencontrent un problème grave, elles peuvent accomplir un sacrifice de soi spectaculaire connu sous le nom de NETose. Au cours de ce processus, le neutrophile déroule son propre ADN et le mélange à des enzymes toxiques, projetant un piège collant et semblable à une toile pour capturer et tuer les microbes envahissants. Ce mécanisme est vital pour la survie, mais lorsqu'il s'emballe, les mêmes toiles qui tuent les bactéries peuvent également endommager les propres tissus du corps. Cette libération excessive de débris cellulaires est liée à un large éventail de conditions graves, notamment l'inflammation sévère, les troubles auto-immuns et la défaillance des organes. L'interrupteur chimique qui déclenche ce déroulement est une enzyme appelée PAD4, qui agit comme un coupeur moléculaire, modifiant les protéines pour desserrer les enroulements serrés de l'ADN à l'intérieur de la cellule. Si les scientifiques trouvaient un moyen d'éteindre cet interrupteur spécifique, ils pourraient potentiellement empêcher la formation de ces toiles nocives, traitant ainsi des maladies où l'inflammation devient incontrôlable.

Des chercheurs ont maintenant franchi une étape significative vers la recherche d'une telle solution en combinant la puissance de la modélisation informatique moderne avec les tests de laboratoire traditionnels. Au lieu de tester des millions de produits chimiques un par un, ce qui est lent et coûteux, l'équipe a utilisé l'intelligence artificielle pour passer au crible une immense bibliothèque numérique de près d'un demi-million de candidats médicaments potentiels. Ils ont concentré leur recherche sur une poche spécifique de l'enzyme PAD4 qui avait été négligée par les précédents chercheurs de médicaments, cherchant des molécules capables de s'insérer parfaitement dans cet espace pour bloquer l'activité de l'enzyme. Les modèles informatiques, guidés par des algorithmes d'apprentissage automatique, ont prédit quelles molécules se lieraient le plus étroitement à la cible. À partir de ce vaste réservoir numérique, le système a réduit le champ des possibles à seulement vingt-cinq candidats prometteurs, qui ont ensuite été testés physement en laboratoire.

Les résultats de ce criblage ont été frappants. Deux des composés sélectionnés, nommés 16 et 24, se sont révélés exceptionnellement efficaces pour arrêter l'enzyme PAD4. Lors de tests en laboratoire utilisant des systèmes acellulaires, ces nouvelles molécules se sont montrées bien plus puissantes que le traitement standard actuel, un médicament connu sous le nom de Cl-amidine. Alors que le médicament standard nécessitait une concentration d'environ 6,45 micromolaire pour atteindre un certain niveau d'inhibition, le composé 16 a obtenu un effet similaire ou meilleur à seulement 0,81 micromolaire, et le composé 24 a fonctionné à 3,07 micromolaire. Cela signifie que les nouveaux composés sont nettement plus forts, nécessitant des quantités beaucoup plus petites pour accomplir le même travail. Crucialement, les chercheurs ont également vérifié si ces inhibiteurs puissants étaient sûrs pour les cellules qu'ils étaient censés protéger. Ils ont constaté que même à des concentrations élevées allant jusqu'à 100 micromolaire, les nouveaux composés n'ont pas tué les cellules humaines utilisées dans les expériences, alors que le médicament standard commençait à montrer une toxicité à des niveaux bien plus bas. Cela suggère que les nouvelles molécules possèdent une marge de sécurité beaucoup plus large, un facteur critique pour tout futur médicament.

Lorsque l'équipe est passée aux tests pour voir comment ces composés affectaient le processus réel de la NETose, les résultats ont continué de soutenir leur potentiel. Ils ont utilisé des cellules humaines qui avaient été entraînées pour se comporter comme des neutrophiles et les ont stimulées pour libérer leurs toiles d'ADN. Dans les cellules non traitées, les toiles se formaient librement, brillant intensément sous le microscope en piégeant l'environnement environnant. Cependant, lorsque les cellules ont été prétraitées avec les composés 16 et 24, la formation de ces toiles a été radicalement réduite. Les cellules ont conservé leur intégrité structurelle, et la libération d'enzymes toxiques et de fragments d'ADN a été supprimée. Les chercheurs ont confirmé cela en mesurant les niveaux de marqueurs spécifiques associés au processus, tels que les histones citrullinées et l'élastase neutrophilique, qui étaient tous nettement plus bas dans les cellules traitées. Cela a confirmé que les composés arrêtaient avec succès la cascade chimique qui mène à la libération destructrice de contenus cellulaires.

L'étude ne s'est pas arrêtée aux neutrophiles ; elle a également exploré les effets de ricochet de cette inhibition sur d'autres cellules immunitaires. Les neutrophiles ayant libéré leurs toiles peuvent voyager vers les tissus voisins et déclencher une seconde vague d'inflammation en activant les macrophages, un autre type de cellule immunitaire. Ces macrophages, lorsqu'ils sont exposés aux toiles, deviennent souvent hyperactifs, libérant leurs propres signaux inflammatoires et produisant des niveaux nocifs de stress oxydatif. Les chercheurs ont isolé les toiles provenant de neutrophiles ayant été traités avec les nouveaux composés et les ont introduites dans des macrophages. Ils ont découvert que les macrophages exposés à ces toiles « apprivoisées » restaient calmes. Ils ne présentaient pas les signes de stress ou d'activation observés dans les cellules exposées aux toiles non traitées. Plus précisément, les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène et l'expression des marqueurs inflammatoires ont été maintenus bas, indiquant qu'en empêchant les neutrophiles de libérer leurs toiles, les nouveaux composés ont également prévenu le dommage inflammatoire consécutif aux tissus environnants.

Ce travail démontre une voie claire de la simulation informatique à la réalité biologique, identifiant deux nouvelles molécules capables de bloquer efficacement l'enzyme PAD4 sans nuire aux cellules. En ciblant une région spécifique et moins explorée de l'enzyme, les chercheurs ont trouvé des composés qui sont non seulement plus puissants que les traitements existants, mais aussi plus sûrs pour les cellules avec lesquelles ils interagissent. L'étude confirme que l'inhibition de la PAD4 peut briser le cycle de l'inflammation, stoppant à la fois la libération initiale des toiles de neutrophiles et la réponse inflammatoire secondaire des macrophages. Bien que ces découvertes soient actuellement limitées aux cadres de laboratoire, elles constituent une base solide pour le développement de nouvelles thérapies qui pourraient un jour aider les patients souffrant de conditions dictées par une inflammation excessive et des dommages tissulaires. Les prochaines étapes consisteront à tester ces composés dans des systèmes vivants complexes pour voir s'ils peuvent traduire ces succès de laboratoire en traitements médicaux concrets.