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Publié parHercule Barreau Modifié depuis plus de 10 années
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UE6 Initiation à la connaissance du médicament - Module « Pharmacologie générale » - Item « Paramètres de quantification des effets pharmacologiques » C Capdeville-Atkinson, C Perrin-Sarrado, N Gambier, F Dupuis, C Gaucher, G Trocklé Livres: «Pharmacologie : des cibles vers l’indication thérapeutique», Yves LANDRY et Jean-Pierre GIES, Dunod, Paris 2009 «Initiation à la connaissance du médicament-UE6 1° année santé», Yves LANDRY, EdiScience, Dunod, Paris 2010 1
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Plan 1. Interaction Ligand - Récepteur
1.1 Les 3 propriétés importantes 1.2 Notion de ligand, agoniste, antagoniste 1.3 Loi d’action de masse 1.4 Théorie d’occupation des récepteurs 2. Méthodes d’étude de l’interaction Ligand - Récepteur 1.1 Approche fonctionnelle 1.2 Etude de liaison à haute affinité 3. Notion de sélectivité 4. CONCLUSION
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1. Interaction Ligand - Récepteur
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1.1 Les 3 propriétés importantes
Affinité = traduit la puissance de l’interaction physico-chimique entre le ligand et son récepteur = capacité de reconnaissance entre les 2 partenaires - liaisons non covalentes (hydrophobes, ioniques, H, van der Walls) Réponse = effet ou activité du ligand suite à sa fixation sur le récepteur Sélectivité : - affinité préférentielle d’un ligand pour un récepteur par rapport à un autre - liée à la concentration utilisée : « l’important, c’est la dose » - production de médicaments de plus haute sélectivité Rapport effet primaire/effets secondaire
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1.1 Les 3 propriétés importantes
Affinité Cible (récepteur) médicament reconnaissance mutuelle des 2 partenaires Sélectivité Transduction intracellulaire Réponse biologique effet Activité Couplage avec des effecteurs
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1.1 Les 3 propriétés importantes
Transduction Amplification Modulation Signal d'entrée Signal de sortie effet récepteur Système amplificateur Système effecteur affinité activité
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agoniste et antagoniste
1.2 Notion de ligand, agoniste et antagoniste Ligand : toute molécule se liant à un récepteur Agoniste : molécule capable d’engendrer, par sa liaison à ses récepteurs, une réponse biologique semblable à celle du médiateur endogène Antagoniste : molécule dont l’interaction avec les mêmes récepteurs ne déclenche pas de réponse biologique et s’oppose à l’effet du médiateur endogène
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Absence de réponse cellulaire
1.2 Notion de ligand, agoniste et antagoniste AGONISTE ANTAGONISTE Seconds messagers Absence de signal intracellulaire Cascade enzymatique - phosphorylations - déphosphorylations Absence de réponse cellulaire Réponse cellulaire - contraction - sécrétion - croissance et division - …..
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agoniste et antagoniste
1.2 Notion de ligand, agoniste et antagoniste Médiateur endogène
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agoniste et antagoniste
1.2 Notion de ligand, agoniste et antagoniste Médicament agoniste : mime l’effet du médiateur entier (réponse cellulaire maximale) partiel Médicament agoniste inverse : - s’oppose à la liaison du médiateur à son récepteur - entraîne une réponse opposée à celle de l’agoniste Médicament antagoniste neutre : - s’oppose à la liaison du médiateur à son récepteur - n’induit pas de réponse par lui-même mais l’effet du médiateur endogène
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1.3 Loi d’action de masse Modèle de la loi d’action de masse
- équilibre dynamique entre formes libres et associées du ligand et récepteur - constante d’équilibre K (à une T°C donnée) - modèle satisfaisant pour les études de base [L] + [R] [LR] k1 k-1 [L] : concentration molaire de ligand libre [R] : concentration molaire de récepteur libre [LR] : concentration molaire du complexe ligand-récepteur k1 : constante cinétique d’association (M-1 x min-1) k-1 : constante cinétique de dissociation (min-1) Notion d’équilibre
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1.3 Loi d’action de masse Vitesse d’association = [L] x [R] x k1
- nombre de formation du complexe ligand-récepteur par unité de temps Vitesse de dissociation = [LR] x k-1 - nombre de dissociation du complexe ligand-récepteur par unité de temps A l’équilibre : les 2 vitesses sont égales : [L] x [R] x k1 = [LR] x k-1 ([L] x [R]) / [LR] = k-1/k1 = KD KD : constante de dissociation à l’équilibre (M) - KD dénommée KA pour agoniste - KD dénommée KB pour antagoniste Affinité : inverse de la constante de dissociation : - 1/KA pour agoniste - 1/KB pour antagoniste
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1.3 Loi d’action de masse Affinité = 1/KA ou 1/KB = k1/k -1 = 1/KD
En pratique : 1/KA et 1/KB = peu utilisées KA KB grandeur de concentration unité = Molaire Ligands à forte affinité faible concentration pour se lier au récepteur (suggérant dose faible in vivo) Plus KD est faible, plus l’affinité est élevée KD = [L] nécessaire pour occuper 50 % des récepteurs à l’équilibre
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d’occupation des récepteurs
1.4 Réponse et théorie d’occupation des récepteurs Affinité réciproque de L et R Formation du complexe LR Activité ou effet de L = Réponse de R Réponse cellulaire ou réponse de l’organisme
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d’occupation des récepteurs
1.4 Réponse et théorie d’occupation des récepteurs 1.4.1 Théorie de l’occupation des récepteurs (Clark) Réponse proportionnelle au pourcentage de récepteurs occupés Lorsque 100% des récepteurs occupés réponse maximale 100 50 Récepteurs occupés (%) Effet (%)
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d’occupation des récepteurs
1.4 Réponse et théorie d’occupation des récepteurs [A] + [R] [AR] k 1 -1 Loi d’action de masse [A] : concentration molaire d’agoniste libre [R] : concentration molaire de récepteur libre [AR]: concentration molaire du complexe agoniste-récepteur Théorie d’occupation des récepteurs Si réponse % de récepteurs occupés Réponse = [AR]/[Rtot] Avec - [Rtot] = [R] + [AR] - KA = ([A] x [R])/[AR] Réponse = [A]/([A]+KA)
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d’occupation des récepteurs
1.4 Réponse et théorie d’occupation des récepteurs 1.4.2 Evolution de la théorie de l’occupation des récepteurs Ariens réponse maximale obtenue pour une gamme de concentration = différente d’un agoniste à l’autre facteur de proportionnalité propre à chaque agoniste : activité intrinsèque a = capacité du ligand à stimuler le tissu Réponse = [AR] / [Rtot] = a A/(A+KA) a = 1 : agoniste entier 0 < a < 1 : agoniste partiel a = 0 : antagoniste neutre a < 0 : agoniste inverse
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d’occupation des récepteurs
1.4 Réponse et théorie d’occupation des récepteurs Théorie d’occupation des récepteurs complétée par Stephenson et Furchgott : - Réponse maximale faibles proportions de récepteurs occupés (2-20%) - notion de récepteurs de réserve = récepteurs libres alors que la réponse maximale est obtenue
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Conclusion : INTERACTION LIGAND - RECEPTEUR
3 propriétés : - Affinité - Réponse = Activité - Sélectivité Différents types de ligands : - Agoniste entier - Agoniste partiel - Antagoniste neutre - Agoniste inverse
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2. Méthodes d’étude de l’interaction
Ligand - Récepteur
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l’interaction ligand - récepteur
2. Méthodes d’étude de l’interaction ligand - récepteur Etude des ligands : 2 approches 1) Approches fonctionnelles activité, affinité 2) Approches par liaison spécifique à haute affinité affinité, activité Objectif global : évaluation de l’activité, et de l’affinité du médicament pour le récepteur responsable de l’effet primaire et les récepteurs responsables des effets secondaires notion de sélectivité d’un agoniste ou d’un antagoniste
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Les différents modèles d’étude de l’affinité et de l’activité des médicaments
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2.1 Approches fonctionnelles
Expériences fonctionnelles préliminaires caractéristiques nouveau ligand - Si ligand = agoniste : observation d’un effet propre du ligand en absence de médiateur endogène - Si ligand = antagoniste : pas d’effet propre mais effet du médiateur endogène ou d’un agoniste ajouté Suivant agoniste ou antagoniste, protocoles expérimentaux différents
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes réponses graduelles : augmentent progressivement en fonction de la dose (in vivo) ou de la concentration (in vitro). dose efficace 50 (DE50) ou concentration efficace 50 (CE50) : dose ou concentration nécessaire pour obtenir 50% de l’effet maximal
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes Réalisation d’une courbe dose-réponse ou courbe concentration-réponse (doses ou concentrations cumulatives ) 10 20 30 40 3 Contraction (g) Temps (minutes) 2 1 10-8 M M M 10-7 M 10-6 M M 10-5 M M ex : courbe concentration réponse d’un anneau aortique isolé
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Transformée en courbe sigmoïde
2.1 Approches fonctionnelles 2.1.1 Etude des agonistes Détermination de Emax, DE50 ou CE50 Relation entre l’effet (E) et la dose, ou entre l’effet (E) et la concentration du médicament courbe dose-réponse ou courbe concentration-réponse : Effet Transformée en courbe sigmoïde Dose ou Concentration linéaire d’agoniste
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes Transformation en courbe sigmoïde sur papier semi-logarithmique : Effet = f([Agoniste] en Molaire) (ou = f(dose, en quantité/kg)) Effet Effet max [Agoniste] (molaire, M) 10-9 M 10-8 M 10-7 M 10-6 M 10-5 M
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes Transformation en courbe sigmoïde sur papier millimétré : Effet = f(- log [Agoniste]) 9 8 7 6 5 [Agoniste] -log M Effet Effet max
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes Effet Emax Effet = f(- log10 [A]) Augmentation répartie sur 2 unités log Emax/2 -log[A] 9 8 7 -log(CE50) 6 5 CE50 : concentration d’agoniste produisant 50% de l’effet maximal DE50 : dose d’agoniste produisant 50% de l’effet maximal pD2 = -log10 (CE50) (traduit l’affinité, mais pas valeur d’affinité absolue) : plus pD2 élevé plus affinité forte Valeurs expérimentales non assimilables à constantes d’affinité - Comparables entre labos si conditions expérimentales identiques
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A et B = Agonistes entiers
2.1 Approches fonctionnelles 2.1.1 Etude des agonistes Détermination de l’activité : Emax et notion d’activité intrinsèque Effet (%) 100 A et B = Agonistes entiers A a = 1 B C 50 C = Agoniste partiel a = 0,5 9 8 7 6 -log[A] -logCE50 -logCE50 NB : CE50 A < CE50 B et C donc affinité de A > B et C CE50 B = CE50 C (affinités identiques)
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.1 Etude des agonistes Détermination de l’activité : Emax et notion d’activité intrinsèque Agonistes entiers Effet (%) 100 A en partie effet antagoniste de C par rapport à A ou B si A ou B présents en même temps que C B C 50 Agoniste partiel 9 8 7 6 -log[A] agoniste partiel (réponse maximale relativement faible) suggère changement de conformation partiel du récepteur et signalisation intracellulaire faible en présence d’un agoniste entier, les agonistes partiels exercent en partie un effet antagoniste (donc par ex, attention à l’administration d’un agoniste morphinique partiel (antalgique) chez un morphinoname = risque de précipiter un syndrome de manque)
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Différents types d’antagonisme : Antagonisme compétitif : liaison de l’antagoniste sur le site de liaison de l’agoniste Antagonisme non compétitif : liaison de l’antagoniste sur un site de liaison du récepteur distinct du site de liaison de l’agoniste pas d’effets propres étude par observation de la modification de l’effet de l’agoniste correspondant
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Antagonisme surmontable : déplacement courbe vers la droite sans diminution effet maximum pentes des courbes avec et sans antagoniste = parallèles Ex : cas des antagonistes compétitifs réversibles Effet agoniste seul + antagoniste -log [agoniste]
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Antagonisme insurmontable : diminution de l’effet maximum de l’agoniste Ex : cas des antagonistes non compétitifs Effet -log [agoniste] agoniste seul + antagoniste
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Détermination du pA2 (ou pKB) d’un antagoniste Pour antagonisme surmontable compétitif pA2 Etude de l’effet de plusieurs concentrations (doses) d’antagoniste sur la courbe concentration (dose)-réponse de l’agoniste Effet agoniste seul + antagoniste -log [agoniste] Déplacement vers la droite de la courbe concentration (dose)-réponse de l’agoniste est fonction de l’affinité de l’antagoniste et de sa concentration (dose)
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Quantification de la réponse de l’agoniste en absence et en présence antagoniste = fonction loi action de masse et théorie occupation des récepteurs Réponse identique si conditions identiques d’occupation du récepteur par l’agoniste
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.3 Etude des antagonistes En absence d’antagoniste : Pour une concentration A d’agoniste, une fraction des récepteurs rA est occupée avec pour résultat un effet E A + R AR Effet E rA
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En présence d’antagoniste :
2.1 Approches fonctionnelles 2.1.2 Etude des antagonistes En présence d’antagoniste : en présence d’antagoniste B et de la même concentration A d’agoniste: Effet : E A ++ B ++ R AR BR r’A - Compétition entre A et B pour se lier à R - Fonction des concentrations des ligands - fraction des récepteurs occupés par la concentration A d’agoniste: r’A effet pour la même concentration A d’agoniste
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes Pour occuper même fraction de récepteurs et obtenir même effet, il faut augmenter la concentration d’agoniste A’ telle que A’>A et rA = rA’ Effet : E A ++ B ++ R AR BR r’A A’R + + BR A’ ++ B ++ R Effet E r’A=rA A’ > A
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rA r’A r’A = rA En absence d’antagoniste : A + R AR Effet E
A ++ B ++ R AR BR r’A En présence d’antagoniste : A’R + + BR A’ ++ B ++ R Effet E r’A = rA A’ > A
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Représentation graphique : représentation de Schild = droite
2.1 Approches fonctionnelles 2.1.2 Etude des antagonistes Calcul du rapport des concentrations équi-actives (ou rapport des doses équi-actives = « dose-ratio ») et représentation graphique de Schild rapport de concentrations de l’agoniste occupant la même fraction de récepteurs et donnant le même effet en absence et en présence d’une concentration d’antagoniste = A’/A = rapport des concentrations équi-actives log10 ((A’/A) – 1) = log10 [antagoniste] – log10 KB Représentation graphique : représentation de Schild = droite
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2.1 Approches fonctionnelles
2.1.2 Etude des antagonistes log10 ((A’/A) – 1) = log10 [antagoniste] – log10 KB pA2 = - log de [antagoniste] (molaire) qui oblige à doubler la concentration d’agoniste pour obtenir le même effet qu’en absence d’antagoniste lorsque log ((A’/A) – 1) = 0 A’/A = 2 Intersection de la droite de Schild avec axe des abscisses pA2 Plus le pA2 est , plus l’affinité de l’antagoniste pour le récepteur
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Représentation graphique de Schild
2.1 Approches fonctionnelles 2.1.2 Etude des antagonistes agoniste seul Effet [agoniste] A A’ A + antagoniste B : [B1] A’’’ A + antagoniste B : [B3] A’’ A + antagoniste B : [B2] a a = A’/A Log 10 (A’ ‘’ ‘’’/A - 1) - log10 [antagoniste] 1 2 3 log 10 (a-1) (b-1) (c-1) Représentation graphique de Schild b b = A’’/A c c = A’’’/A pA 2
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2.2 Liaison spécifique haute affinité
permet caractériser l’affinité d’une nouvelle molécule synthétisée vis à vis de récepteurs connus détermination de KD permet caractériser les récepteurs d’un tissu ou d’une cellule en utilisant des ligands connus détermination de Bmax (nombre maximal de récepteurs)
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2.2 Liaison spécifique haute affinité
2.2.1 Réalisation des études de liaison Préparations subcellulaires : * homogénat * membranes * récepteurs purifiés ou cellulaires - Utilisation de ligand marqué = radioligand (L*) : 3H, 14C, 125I - 3 étapes : incubation, séparation, mesure
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2.2 Liaison spécifique haute affinité
Incubation * récepteurs L*R Séparation * Mesure * radioligand L* en présence d’une population de récepteurs (conditions précises de temps, pH, T°C) formation complexe L*R Mélange scintillant Centrifugation ou filtration séparation ligand libre L* et complexe L*R Radioactivité retenue sur le filtre quantification complexe L*R
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2.2 Liaison spécifique haute affinité
Mesure de la liaison totale = liaison spécifique + liaison non spécifique Liaison spécifique : liaison à des récepteurs - forte affinité - critère de saturabilité Liaison non spécifique : liaison à sites de fixation autres que récepteurs - faible affinité - non saturable
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Méthode par saturation Méthode par compétition
2.2 Liaison spécifique haute affinité Protocoles expérimentaux permettant de déterminer liaison spécifique Méthode par saturation Méthode par compétition
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détermination de la liaison non spécifique
2.2 Liaison spécifique haute aff 2.2.2 Méthode par saturation Première série d’expériences = concentration récepteur fixe et concentrations croissantes de ligand marqué (L*): détermination de la liaison totale Deuxième série d’expériences = tubes dans conditions identiques + surcharge ligand non marqué (L): - Compétition entre L et L* - L >> L* L en excès déplace L* des récepteurs (car nombre limité) - mais pas de compétition pour les sites de liaison non spécifiques (car nombre infini) détermination de la liaison non spécifique
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Liaison spécifique = différence entre les 2 mesures Liaison du radioligand L*R [L*] liaison spécifique liaison non spécifique liaison totale
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Avec densité de sites de liaison spécifique : [Rt] = Bmax = [R] + [L*R] et loi d’action de masse : KD = ([L*] x [R]) / [L*R] Détermination de l’affinité du ligand pour le récepteur : KD = ([L*] x (Bmax – [L*R])) / [L*R] Si [L*R] = Bmax/2 KD = [L*] KD : [radioligand] requise pour occuper 50% des récepteurs plus KD faible, plus l’affinité du ligand est grande
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation - Nature hyperbolique de la liaison spécifique : Transformation en régression linéaire : 1) Représentation de Scatchard 2) Représentation de Hill
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Représentation de Scatchard B/F [L*R] = Bound = B B max /K D [L*] = Free = F Pente = -1/K D - ordonnée : B/F - abscisse B B max B/F = -1/KD x B + Bmax/KD B détermination précise KD et Bmax (quantité totale de récepteurs dans la préparation) si conditions expérimentales strictes, suffisamment de points expérimentaux …
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Représentation de Scatchard Ex : en augmentant le nombre de points expérimentaux, il est possible de « découvrir » une 2° population de récepteurs dans la préparation, sur lesquels le ligand radioactif se fixerait avec une affinité plus faible que sur la 1° population B/F B max /K D Pente = -1/K du radioligand pour la 1° population de Rr D B max /K D Pente = -1/K radioligand 2° population de Rr D B B de la 1° population de Rr B de la 2° population de Rr max max
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Représentation de Hill ordonnée : log10 (B/(Bmax-B) abscisse : log10 [L*] log10 (B/(Bmax-B) = nlog10 F-log10 KD
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.2 Méthode par saturation Représentation de Hill Quantifier la déviation éventuelle de l’interaction ligand récepteur de la loi d’action de masse : - Pente de la droite n représente le nombre de Hill correspondant au nombre de sites par récepteur Si n = 1 : loi d’action de masse vérifiée : 1 site de fixation pour le ligand population homogène de récepteurs Si n > 1 : présence de plusieurs sites d’affinité différente pour le ligand population hétérogène de récepteurs
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radioactivité en fonction affinité de X et L* pour récepteur
2.2 Liaison spécifique haute aff 2.2.3 Méthode par compétition Affinité d’un ligand non marqué pour son récepteur R proportionnelle au pouvoir de déplacement d’un radioligand L* de caractéristiques (KD) connues - Mise en présence d’une concentration déterminée de récepteur [R] et de radioligand [L*] - Addition de concentrations croissantes ligand non marqué X à étudier X se fixe sur le récepteur et déplace L* radioactivité en fonction affinité de X et L* pour récepteur
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Liaison spécifique du radioligand [L*R]
2.2 Liaison spécifique haute aff 2.2.3 Méthode par compétition Liaison spécifique à haute affinité : déplacement du ligand radiomarqué * [R] fixe : * * * Radioligand [L*] fixe * * [X] croissantes : * 100 % Liaison spécifique du radioligand [L*R] 50 % CI50 - log [X]
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.3 Méthode par compétition CI50 : concentration inhibitrice 50 = concentration de ligand non marqué qui inhibe 50% de la liaison spécifique du radioligand. Plus CI50 faible, plus l’affinité du ligand non marqué est grande
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2.2 Liaison spécifique haute aff
2.2.3 Méthode par compétition CI50 dépend de la concentration et du KD de radioligands L* comparables uniquement dans des conditions expérimentales strictement identiques Ou : KI (équation de Cheng et Prusoff) : KI = CI50 / (1 + ([L*] / KD))
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2.2 Liaison spécifique haute aff 2.2.4 KD et KI
KI : Valeur corrigée qui ne varie pas en fonction de la concentration ou du KD de L* assimilable à l’inverse de l’affinité du ligand pour le récepteur. Dénominations KD et KI dépendent uniquement du protocole utilisé (saturation/compétition) ; leurs valeurs sont comparables. Méthode par compétition = la plus utilisée car pas de nécessité de radiomarquer la nouvelle molécule synthétisée : utilisation de banque de ligands connus radiomarqués
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3. Notion de Sélectivité Notion essentielle à la connaissance d’un médicament Sélectivité d’un ligand pour la cible R1 vis à vis de la cible R2 = affinité pour R2 affinité pour R1 Rapport : Sélectivité de l’effet du médicament pour l’effet recherché E1 vis à vis effet secondaire E2 = Rapport : Concentration ou dose effet E2 Concentration ou dose effet E1 CE50 ou DE50
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3. Notion de Sélectivité (étude liaison spécifique haute affinité)
Comparaison de la liaison spécifique d’un ligand à 3 récepteurs R1, R2, R3 en fonction de la concentration du ligand KD R3 KD R1 Rapport : = 1000 > 100 Ligand sélectif de R1 par rapport à R3 KD R2 KD R1 Rapport : = 3 < 10 Ligand non sélectif de R1 par rapport à R2
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3. Notion de Sélectivité (approche fonctionnelle)
Sélectivité et marge thérapeutique d’un médicament Effet Effet thérapeutique Effet indésirable Emax/2 Marge thérapeutique = (= espacement entre courbes) CE50(E Ther) CE50(E Ind) -log[concentration] 9 8 7 6 5 CE50(ET) CE50(EI) Plus la marge thérapeutique est élevée (= plus l’espacement entre les courbes est grand, avec courbe « effet indés à droite de courbe effet thérap), plus la sécurité du médicament est importante
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CONCLUSION Que choisir pour bien comparer 2 ligands ?
Comparer efficacité de divers agonistes sur un système expérimental unique CE50 peuvent être comparées de manière fiable par méthode fonctionnelle Comparer affinité de divers ligands sur divers systèmes expérimentaux comparer les KD méthode de liaison spécifique à haute affinité
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CONCLUSION Paramètres mesurés Etudes fonctionnelles CE50 / DE50 non
comparables d’un labo à un autre ? (indépendamment des conditions expérimentales locales) Etudes fonctionnelles CE50 / DE50 non pD2 pA2 (antagonistes compétitifs) pA2 assimilable à pKB plus ou moins Etudes de liaison à haute affinité KI oui KD CI50 non (calculer KI)
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