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Neier, Reinhard
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Neier, Reinhard
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Reinhard.Neier@unine.ch
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- PublicationAccès libreA novel nano-optical sensing approach for real-time amyloid aggregation monitoring(2016)
; Le repliement incorrect et l’agrégation des protéines amyloïdes ont été associés au développement de maladies incurables comme la maladie d’Alzheimer et de Parkinson. Dans le cas spécifique de la maladie d’Alzheimer, des fibrilles matures et insolubles formées par l’agrégation du peptide « amyloïde-beta » (Aβ) sont un des éléments caractéristiques que l’on peut détecter dans le cerveau des patients affectés par cette pathologie. Durant de nombreuses années, ces fibrilles insolubles ont été considérées comme les principales responsables du développement de la maladie d’Alzheimer. Cependant, des études récentes ont révélé que la toxicité au niveau cellulaire du tissu neuronal est causée par des agrégats du peptide Aβ sous forme d’oligomères solubles, qui se forment pendant des premières étapes du processus d’agrégation, plutôt que par les fibrilles matures et insolubles. Les oligomères solubles du peptide Aβ sont difficile à identifier et à étudier, car les méthodes classiques de détection des amyloïdes ne sont pas assez sensibles pour pouvoir révéler leur formation. La recherche de nouvelles stratégies d’investigation du processus d’oligomérisation du peptide Aβ est désormais devenue impérative pour permettre de mieux comprendre les causes sous-jacentes du développement de la maladie d’Alzheimer, et de poser les bases d’un diagnostic précoce qui puisse être effectuée avant que les symptômes cliniques ne se manifestent.
Dans ce projet de thèse, nous explorons les propriétés uniques d’une plateforme optique de détection réfractométrique et « sans marqueur » afin de proposer une nouvelle approche à l’investigation des premières étapes du processus d’oligomérisation du peptide Aβ, couramment connu comme phase « lag» silencieuse. Notre approche permet la détection optique en temps réel des variations locales de l’indice de réfraction qui ont lieu une fois que l’agrégation commence. La méthode optique est basée sur l’interrogation d’un revêtement multicouche diélectrique (autrement appelée « cristal photonique à une dimension ») capable de soutenir une onde de surface électromagnétique, connue comme onde de surface de Bloch (Bloch Surface Wave, BSW). Les BSW générées par les revêtements multicouches diélectriques sont sensibles aux perturbations externes de l’indice de réfraction près de la surface du cristal photonique. Dans ce travail de thèse, nous apportons une preuve du principe de la technique basée sur les BSW pour la détection de l’agrégation du peptide Aβ42. Pour cela, nous suivons en temps réel la variation de l’indice de réfraction d’une solution aqueuse contenante le peptide Aβ42. Cette mesure est réalisée pendant les premières phases d’agrégation et de formation de fibrilles. La surface du revêtement multicouche est mise en contact direct avec la solution sondée. La surface sensible est positionnée verticalement. Le peptide Aβ42 est initialement injecté sous forme de monomère, et agrège progressivement jusqu’à former les fibrilles. Pendant ce processus, le peptide Aβ42 à tendance à précipiter loin de la surface du cristal photonique. Le capteur détecte uniquement un changement d’indice de réfraction dans un volume défini par la pénétration normale à la surface de l’onde évanescente du mode BSW qui est de l’ordre de 500nm. Par conséquent, la mesure d une diminution de l’indice de réfraction de la solution, laquelle est directement corrélée à la diminution de la concentration des monomères du peptide Aβ42 pendant leur agrégation.
Nous démontrons l’efficacité de l’approche BSW en suivant en temps réel les premières étapes cruciales de formation des oligomères toxiques du peptide Aβ42. Pour aborder la détection sélective de l’analyte, nous concevons une stratégie de modification et de fonctionnalisation chimique de la surface. Par ailleurs, nous apportons des nouvelles notions sur le mécanisme complexe d’agrégation du peptide Aβ42 en présence de petites sondes moléculaires qui sont capables d’interférer avec la dynamique de formation amyloïde. Comme moyen de contrôle, des méthodes spectroscopiques classiques, la microscopie à transmission électronique, le dosage de liaison avec la molécule fluorescente Thioflavine T, et des mesures basées sur la technique de RMN sont utilisées pour accomplir la caractérisation morphologique de l’échantillon investigué pendant son agrégation. Enfin, nous présentons une amélioration potentielle du système optique de base afin de simultanément effectuer une mesure de la diffusion de la lumière due aux agrégats. Ceci, avec comme but, d’investiguer en temps réel la variation en taille des agrégats du peptide Aβ42 durant la formation de fibrilles., The misfolding and aggregation of amyloid proteins has been associated with incurable diseases such as Alzheimer's or Parkinson's disease. In the specific case of Alzheimer's disease, insoluble mature fibrils formed of amyloid-beta (Aβ) peptide aggregates are one of the gross features detectable in brain of Alzheimer-disease-affected patients. Insoluble mature fibrils were for long time believed to be the main culprit of the pathology. Recent studies have shown that cell toxicity is caused by soluble oligomeric forms appearing in the early stages of aggregation, rather than by insoluble mature fibrils. Soluble Aβ oligomers are of difficult identification and study, since the classical amyloid detection techniques are not sensitive enough to reveal their formation. Research on new strategies to investigate Aβ oligomerization is imperative for the better understanding of the causes underlying the Alzheimer’s disease, and to set the basis for the diagnosis of the disease prior to the onset of clinical symptoms.
In this work, we exploit the unique properties of an optical label-free refractometric sensing platform to propose a novel approach for investigating the initial and silent–lag–phase of Aβ42 oligomerization. Our sensing approach allows the real-time optical detection of local refraction index changes occurring as aggregation takes place. The method is based on the optical interrogation of a dielectric multilayer (one-dimensional photonic crystal) sustaining an electromagnetic surface wave, called Bloch Surface Wave (BSW). BSWs generated on dielectric multilayers are sensitive to external perturbations of the refractive index close to the surface of the photonic multilayer. In this work, we report on a proof of principle of the BSW-based detection technique for sensing protein aggregation by monitoring in real time the refractive index variation of an aqueous solution containing the Aβ42 peptide during early aggregation and fibril formation. The multilayer surface is directly contacted with the probed aqueous medium and the sensing chamber is positioned vertically. Hence, we exploit BSWs to locally probe the refractive index variations of a solution wherein the Aβ42 peptide is initially injected in a monomeric form and is progressively aggregating to form fibrils. During this process, the Aβ42 peptide tends to precipitate away from the multilayered surface, therefore, the measurements using BSWs monitor a local variation of the refractive index of the solution, which is directly related to the depletion of the concentration of the Aβ42 monomeric form during aggregation.
We demonstrate the efficacy of the BSW approach by monitoring in real-time the first crucial steps of Aβ42 oligomerization. To address a selective sensing of the analyte, we devise a surface chemical functionalization strategy. Furthermore, we provide new insights into the complex mechanism of aggregation of this protein system in the presence of small molecular probes able to interfere with the dynamics of amyloid formation. As a control method, spectroscopic methods, Transmission Electron Microscopy, Thioflavin T binding assay, and NMR-based measurements are used to morphologically characterize the sample during aggregation. Finally, we present a potential improvement of the setup to perform a simultaneous light scattering measurement, with the purpose of real-time monitoring the size change of the Aβ aggregates, throughout fibrillization. - PublicationAccès libreCalix[n]tetrahydrofuran[4-n]pyrrolidines: optimized synthesis via hydrogenation of calix[n]furan[4-n]pyrroles, conformational study and preliminary work on their transition metal complexes(2016)
- PublicationAccès libreDimers of the columnar mesomorphic 2-substituted benzene-1,2,5,-tricarboxamide (BTA) unit: study of the liquid crystallinity in the bulk and of the self-assembly in solution(2015)
The first challenge concerned the functionalization of the BTA scaffold in order to introduce an “anchoring site” and achieve the formation of dimers. In this context, in the literature, the introduction of alkoxy groups has been demonstrated to reinforce the self-assembly process. For this reason, we synthetized a mono-2-substituted BTA carrying a pentynyloxy group. We investigated the aggregation process of the newly synthetized 2-substituted BTAs in the bulk and in solution by means of DSC, POM, X-ray diffraction and concentration-induced 1H-NMR experiments. The presence of this single substituent significantly influenced the self-assembly process. Moreover, those measurements revealed that the self-assembly was impaired by H-bond accepting substituents and strengthened by non-H-bonding substituents.
In the second part, the 2-substituted BTA derivative was employed in the construction of covalently-connected dimers. The study of the self-assembly process of the dimers was carried out in solution by employing concentration-induced NMR analyses. These measurements revealed the enhancement of the association process upon dimerization. However, none of the dimeric structures presented liquid crystallinity. Therefore, we synthetized a library of 2-substituted BTA dimers with different aromatic linkers and modifications on the amide side-chains. Finally, we screened the ability of these dimeric compounds to form mesophases with the goal of establishing an empirical structure-properties relationship. - PublicationAccès libreEtude sur la réactivité du THP [tris[hydroxyméthyl]phosphine] et Développement de composés potentiellement efficaces en tant que retardants de flamme(2014)
Le présent projet est donc né de la collaboration avec Febex SA, compagnie spécialisée dans la production de dérivés du phosphore de haute technicité. L’idée originale est de recycler un produit secondaire phosphoré, la phosphine PH3, provenant des lignes de production de Febex SA afin de le valoriser en tant que matière première. Cependant, la toxicité et l’inflammabilité de cette phosphine rend la manipulation de ce gaz relativement difficile. C’est pourquoi, elle est d’abord transformée en THP (tris(hydroxyméthyl)phosphine), molécules nucléophile permettant de développer une chimie variée. Le principal défi de ce projet est donc de transformer un produit secondaire toxique pour obtenir un composé non-toxique ayant un intérêt commercial en tant qu’additif retardant de flamme.
Le potentiel réactif du THP a donc été exploré, essentiellement par les réactions d’additions de Michael avec des oléfines activées et de condensations de Mannich avec des sources d’azote, révélant une bonne réactivité du centre phosphoré. Une nouvelle méthode de formation de sels de calcium, de magnésium et d’aluminium a également été développée à partir de dérivés du THP. Une bibliothèque de composés contentant des phosphines, des oxydes de phosphines, des sulfures de phosphines, des phosphoniums et des sels métalliques de dérivés phosphorés a ainsi été synthétisée en respectant certaines contraintes liées à l’approche industrielle. Une sélection de composés a ensuite été effectuée selon des critères imposés par l’application en tant qu’additif retardant de flamme, tels que l’aspect du produit, la stabilité thermique et l’absence d’halogénures. Les composés sélectionnés ont finalement subi les tests de tenues au feu en les intégrant dans des matrices polymères à des taux de charge inférieur à 30%., Since the 70s, traditional materials such as wood and metals were gradually replaced by polymer materials. In spite of all advantages offered by these plastics, they can be particularly flammable and can release highly toxic compounds under the influence of combustion. It’s why additives called "flame retardants" were developed to improve safety of our everyday life in front of fires. A flame retardant is thus a substance we add to materials during their manufacturing process to lower their flammability or slow down their combustion. The first developments of fireproofing additives clearly demonstrated the efficiency of the halogenated compounds, however their well-known toxicity increased the interest for phosphorous, nitrogen or mineral derivatives.
This project arose from the collaboration with Febex SA, company specialized in production of high technicality phosphorous derivatives. The original idea is to recycle a phosphorous by-product (phosphine PH3) resulting from Febex production lines to value it as raw material. However, toxicity and flammability of this phosphine makes handling of this gas difficult. That’s why it is first transformed into THP (tris(hydroxymethyl)phosphine), nucleophilic molecule allowing to develop a varied chemistry. The main challenge of this project is to transform a toxic by-product to obtain a non-toxic compound having a commercial interest as fireproofing additive.
The reactivity of THP was first explored, essentially by Michael additions with activated olefins and Mannich condensations with nitrogen containing reagents, revealing a good reactivity of the phosphorous center. A new method to form calcium, magnesium and aluminum salts from THP derivatives was also developed. A library of compounds like phosphines, phosphine-oxides, phosphine-sulfides, phosphoniums and metallic salts of phosphorous derivatives was synthesized respecting some constraints related to the industrial approach. A selection of compounds was then made according to criteria such as aspect of products, thermal stability and halogen-free composition that are relevant for flame retardant application. Selected compounds were finally subjected to flammability standard tests by integrating them into polymer matrices at rates of load lower than 30%. - PublicationAccès libreNew approaches for the synthesis of advanced precursors of Rhazinilam analogues(2014)
Oxydizing the pyrrole ring to pyrrolinone and blocking the C-5 position on the pyrrolinone ring seem to be a promising way to increase the chemical stability of rhazinilam analogues and avoid its enzymatic deactivation in target cells. The second project focused on the preparation of highly substituted 2-pyrrolidinones by a key Mukaiyama aldol reaction – Staudinger type reductive cyclisation sequence. - PublicationAccès libreSynthesis of Calix[4]pyrrolidine, Calix[m]tetrahydrofuran[n]pyrrolidine (m+n=4) and similar macrocyclic systems - elucidation of the hydrogenation sequence and factors influencing the stereoselectivity(2012)
; The first meso-octaalkylporphyrinogen (calix[4]pyrrole) was synthesized by Baeyer more than 120 years ago, mixing pyrrole and acetone in the presence of an acid. We have performed a thorough study of the catalytic hydrogenation of calix[4]pyrrole 1, by using common as well as novel heterogeneous catalysts based on transition metals (Pd, Rh, Ru) supported on solid matrices. Another investigation concerning the hydrogenation reaction was performed using twelve different macrocyclic substrates. Different factors were tested, which might influence the stereoselectivity during the hydrogenation process and therefore the number of diastereomers obtained. One of the macrocycles synthesized, offers interesting perspectives for the development of novel catalysts. In this context, we investigated the reactivity and the modification of this macrocycle. A thorough study of the nucleophilic properties and a kinetic study allow the discovery the factors that influence the reactivity of these macrocycles. - PublicationAccès libreTowards the asymetric synthesis of chiral precursors of Novartis drug and drug candidates "via" organometallic Henry reactions and organocatalytic Michael additions(2011)
; Sedelmeier, GottfriedL’industrie pharmaceutique doit répondre à une demande croissante de mise sur le marché de substances enantiomériquement pures, rendant nécessaire le développement de voies de synthèse asymétrique alternatives, efficaces pour pouvoir produire en masse des médicaments ou des candidats-médicaments. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui concerne trois types de substances médicamenteuses actives. Afin d’introduire la stéréochimie requise par les molécules cibles, nous avons basé notre étude sur le développement de procédures faisant intervenir comme réactions clefs : des additions Michael par voie organocatalytique et des réactions Henry catalysée par des complexes de cuivre.
C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui concerne trois types de substances médicamenteuses actives. Afin d’introduire la stéréochimie requise par les molécules cibles, nous avons basé notre étude sur le développement de procédures faisant intervenir comme réactions clefs : des additions Michael par voie organocatalytique et des réactions Henry catalysée par des complexes de cuivre.
Au terme de ce travail, nous sommes en mesure de proposer de nouvelles stratégies pour la synthèse de l’Aliskiren, inhibiteur de la rénine. Parmi toutes les voies de synthèse que nous avons testées pour préparer des précurseurs de l’Aliskiren, l’une a été appliquée avec succès, après optimisation, pour une production au KiloLab. Cette nouvelle approche basée sur la préparation d’un dérivé-clef, de type nitré, enantiomériquement pur, a fait l’objet d’un brevet en 2011. Nous avons également défini trois autres voies de synthèse potentiellement utilisables, après optimisation, pour préparer l’Aliskiren. En outre, nous avons pu mettre en évidence la possibilité d’une séquence de type domino en « one-pot », impliquant l’enchaînement suivant de réactions: Knoevenagel/Michael/Henry/acétylation/ isomérisation.
Notre étude a également porté sur la préparation d’un nouveau candidat-médicament à activité anti-Parkinsonienne (AFQO56). Nous avons évalué la faisabilité d’une addition, de type aza-Michael par voie organocatalytique. Nous avons pu, dans le meilleur des cas, isoler les précurseurs de l’AFQ056 qu’avec une enantiosélectivité modérée.
En outre, un certain nombre de travaux que nous avons menés ont eu pour but de développer une voie asymétrique d’accès au candidat-médicament Novartis KAE 609 à potentialité anti-malaria. Bien que nous n’ayons pas réussi à isoler les précurseurs chiraux souhaités du KAE609, nous proposons, une voie d’accès générale et rapide à ses précurseurs du type indolylnitroalcènes. Un procédé de synthèse en une seule étape d’une série de précurseurs d’analogues du KAE 609, potentiellement bioactifs pourrait ainsi être appliqué., The increasing demand for the marketing of enantiomerically pure substances has forced the pharmaceutical companies to develop efficient enantioselective procedures for the large scale synthesis of their drug candidates or commercial drugs.
In this work, we focused our attention on the preparation of three Novartis pharmaceutically active substances. We planed to introduce the desired stereochemistry into the targeted molecules via asymmetric copper-ligand based and chiral amine promoted organocatalytic procedures and focused our attention on the two well known C-C bond-forming reactions that are the Henry reactions and the Michael additions.
We were able to propose novel alternative routes to the renin inhibitor Aliskiren (Rasilez). We focused our attention on the asymmetric preparation of β-and δ-hydroxyl nitro compounds, via different successful catalytic asymmetric strategies, involving as key steps, enamine and iminium promoted Michael additions and copper catalyzed syn-selective asymmetric Henry reactions. Among the synthetic routes we reported for the preparation of Aliskiren precursors, the first one was successfully applied after optimization to a Kilo-Lab campaign. A novel approach based on the preparation of a novel key nitro derivative, has been patented in 2011. After optimizations, the three last investigated routes should/could be applied to the potential preparation of Aliskiren. During our investigations on the chemistry of the nitro group, we also prepared stable tetrahydropyranol derivatives, from in-situ generated nitroalkene derivatives and different aldehydes, by a one-potdomino sequence involving the asymmetric Knoevenagel/Michael/Henry/acetalization/isomerisation reactions.
We also studied the preparation of a novel anti-Parkinson drug candidate (AFQ056) and examined the organocatalyzed aza-Michael addition of a selection of N-nucleophiles to cyclohexenone. In the best case, we are able to isolate two desired aza-Michael products with moderate enantiomeric ratios and poor isolated yields. We also described a successful approach to the 1,5,6,7-tetrahydroindol-4-one building block of AFQ056, involving an intramolecular proline catalyzed alkylation step. Our chemistry can be used in a continuous manufacturing process.
Few investigations have also been performed to evaluate the viability of an asymmetric preparation of the Novartis promising anti-malaria drug candidate KAE609 from Novartis. Although we failed to isolate the desired chiral indolylnitroalkane precursors of KAE609, we prepare the indolylnitroalkene analogues with high yields. We proposed thus a general one-step procedure to synthesize a range of precursors for potential bioactive analogues of KAE609. - PublicationAccès libre2,2'-(Propane-2,2-diyl)bis(1H-pyrrole)The title compound, C11H14N2, crystallized with two independent molecules (A and B) in the asymmetric unit. The two molecules differ only slightly, with the pyrrole rings being inclined to one another at a dihedral angle of 87.67 (8)° in molecule A and 88.09 (7)° in molecule B. In the crystal, there are no classical hydrogen bonds, but the two pyrrole NH groups of one molecule are involved in N-H ··· π interactions with the pyrrole rings of the other molecule. In this manner, a compact box-like arrangement of the two independent molecules is formed.
- PublicationAccès libre2-(2-Naphthyl)-1,3-dioxane(2010)
; ; The title compound, C14H14O2, crystallizes in the chiral monoclinic space group P21. This acetal is composed of a planar naphthalene ring with a 1,3-dioxane ring substituent, which has a chair conformation. In the crystal structure, symmetry-related molecules are connected via a weak C-H ··· O interaction to form a helical chain propagating in [010]. While there are no - stacking interactions present, there are weak C-H ··· π interactions involving the naphthalene aromatic rings, which link the helical chains to form a two-dimensional network in the (011) plane. - PublicationAccès libre4,4-Bis(1H-pyrrol-2-yl)pentanolThe title achiral compound, C13H18N2O, crystallized in the chiral monoclinic space group P21. The pyrrole rings are inclined to one another by 62.30 (11)°, and the propanol chain is in an extended conformation. In the crystal, the two pyrrole NH groups are involved in intermolecular N-H ··· O hydrogen bonds, leading to the formation of a helical arrangement propagating along the b axis. An interesting feature of the crystal structure is the absence of any conventional hydrogen bonds involving the hydroxy H atom. There is, however, a weak intermolecular O-H ··· π interaction involving one of the pyrrole rings.