En juin 1968, Jack Rudloe (1943-), biologiste marin de la Gulf specimen company, récolte, à la demande de l’équipe de J.L. Hartwell, des organismes marins présents en abondance. Il collecte ainsi Bugula neritina, un bryozoaire de la famille des Bugulidae présent en grande quantité dans le golfe du Mexique (Figure 3).

Compte tenu de la découverte de la forte activité antitumorale in vivo de ces extraits [7], d’autres récoltes sont effectuées dans le golfe de Californie et sur les côtes de Californie par G.R. Pettit dans les années 1970, afin d’obtenir suffisamment de bryozoaires pour purifier les composés actifs. En 1981, à partir de 500 kg de B. neritina, G.R. Pettit parvient à isoler 120 mg de bryostatine 1, une lactone macrocyclique dont la structure sera déterminée par cristallographie et publiée en 1982 [ 9]. En 1991, G.R. Pettit envoie au NCI 120 fûts de 200 litres contenant 14 tonnes de B. neritina récoltées le long des côtes californiennes ; dix-huit grammes de bryostatine 1 en seront isolés, une quantité suffisante pour engager des essais cliniques [ 10]. Par la suite, une vingtaine de nouvelles bryostatines seront découvertes chez B. neritina récolté dans divers sites. [ 11]

La première synthèse totale de la bryostatine 1, en 58 étapes, est présentée en 2011 par G.E. Keck [ 12]. Depuis les années 1990, plusieurs synthèses totales de ces molécules ont été réalisées. La découverte récente de Candidatus Endobugula sertula, une γ-protéobactérie symbionte de B. neritina, comme source potentielle des bryostatines, pourrait permettre la production à grande échelle des bryostatines par fermentation [ 13].

La bryostatine 1 montre une excellente activité antitumorale vis-à-vis d’une grande variété de tumeurs murines. Elle agit comme modulateur de l’activité des protéines kinases C (PKC), impliquées dans les voies de signalisation intracellulaires. La bryostatine 1 se lie à la même région de la PKC (domaine C1) que les esters de phorbol dont elle est un antagoniste. En effet, alors que ces derniers sont des agents promoteurs de tumeurs, la bryostatine 1 en bloque la croissance [10].

Le développement clinique de la bryostatine 1 débute en 1991. Plus de 90 essais cliniques ont été réalisés ou sont encore en cours aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Canada. Ils démontrent le potentiel considérable de la bryostatine 1 dans le traitement des cancers ovariens et des rechutes de lymphomes non hodgkiniens. En 2009, une étude de phase II indique que la bryostatine 1 augmente l’efficacité de la vincristine dans les lymphomes à larges cellules. La bryostatine 1, en association avec le paclitaxel^2,, accroît la réponse thérapeutique chez des patients atteints d’adénocarcinome gastrique ou gastro-œsophagique avancé non traité. Cependant, des études approfondies seront nécessaires pour réduire le seul effet secondaire répertorié, les myalgies, avant d’exploiter complètement le potentiel thérapeutique de la bryostatine 1 [11].

La bryostatine 1 a également des effets antidépresseurs et activateurs de la cognition probablement via son action sur les PKC, impliquées dans la synthèse des protéines nécessaires à la mémoire de long terme. La bryostatine 1 est actuellement en phase II d’essais cliniques pour le traitement de la maladie d’Alzheimer³, et les premiers résultats indiquent qu’elle bloque la progression du déclin cognitif et réduit la dépression associée à cette pathologie neurodégénérative [ 14].

Des analogues de la bryostatine 1, les « bryologues », sont actuellement testés dans les infections par le VIH (virus de l’immunodéficience humaine) à l’institut UCLA AIDS (university of California Los Angeles-acquired immunodeficient syndrome). Ces nouveaux composés permettraient de faire sortir le provirus de son état de dormance, le rendant sensible au traitement antirétroviral (HAART, highly active antiretroviral therapy), ce qui permettrait de l’éliminer définitivement chez les patients [ 15].

En 1972, un extrait du mollusque Dolabella auricularia (Aplysiidae) collecté au large de l’île Maurice, montre une activité antitumorale prometteuse. Il faudra dix ans de récoltes et près de 1 600 kg d’échantillons pour que G.R. Pettit puisse isoler les premières dolastatines (Figure 4) [ 16]. Le protocole permettant d’isoler quelques milligrammes de dolastatine 10, le composé le plus prometteur de la série, nécessite 23 purifications par chromatographies successives, générant près de 20 000 fractions. Un an sera nécessaire à G.R. Pettit pour déterminer sa structure par RMN (résonance magnétique nucléaire) à champ élevé et spectrométrie de masse haute résolution.

Une récolte d’environ 700 tonnes de D. auricularia aurait été nécessaire pour obtenir suffisamment de dolastatine 10 pour des essais cliniques, ce qui était impossible pour des raisons économiques et écologiques. Le composé devait donc être synthétisé. La synthèse totale nécessita 28 étapes et ce n’est qu’au bout du 15^e essai que le produit naturel fut obtenu parmi les 512 isomères possibles dus aux neuf centres chiraux de la molécule⁴. Il fallut attendre 1989 pour synthétiser une quantité suffisante de dolastatine 10 pour engager les études précliniques et cliniques [ 17].

La dolastatine 10 est un inhibiteur non compétitif de l’assemblage des microtubules, qui agit au niveau du site de liaison des vinca-alcaloïdes. Elle favorise et stabilise la liaison de la colchicine avec la tubuline [ 18].

Quatre essais cliniques de phase I et onze essais de phase II ont été réalisés avec la dolastatine 10, et plusieurs dérivés sont en cours de développement. L’un d’entre eux, le soblidotin (auristatine PE ; TZT-1027), est actuellement en essai clinique de phase II au Japon, aux États-Unis et en Europe. Un dérivé monométhyl de l’auristatine E associé à un anticorps monoclonal dirigé contre la molécule CD30⁵ (appelé SGN-35 ou brentuximab vedotin) (Figure 4) a été testé dans des essais cliniques de phase III (maintenant terminés) dans les lymphomes réfractaires et les lymphomes à larges cellules. Ce dérivé est commercialisé sous le nom d’Adcetris^® au niveau mondial depuis la fin de l’année 2011. Le même dérivé, associé à un autre anticorps humain, dirigé contre l’épitope AGS-5, permet le transport de l’auristatine E jusqu’aux sites tumoraux dans les cancers gastriques, pancréatiques et prostatiques. Cette molécule cible les tumeurs exprimant AGS-5. Un autre dérivé, l’auristatine PHE (MMAF), associé à l’anticorps monoclonal anti-CD7, est en phase I dans le traitement du carcinome rénal métastatique et du lymphome non hodgkinien réfractaire. Un analogue de la dolastatine 15, le cemadotin (LU-103793), est en phase II en Europe et aux États-Unis, tandis qu’un autre, le tasidotin (synthadotin, ILX-651), est entré en phase II en 2005 [ 19].

En 1979, G.R. Pettit récolte une éponge, Axinella sp., de la famille des Axinellidae, à l’ouest des îles Caroline et y détecte une puissante activité antitumorale. Une nouvelle récolte de 220 kg d’éponges est effectuée en 1985, mais ce n’est qu’en 1991 que sont réalisées la purification et l’identification des deux composés actifs (Homohalichondrine B et Halichondrine B), présents à très faibles concentrations [ 20]. En 1986, D. Uemura et Y. Hirata avaient déjà isolé, à partir de 600 kg de Halichondria okadai (Halichondridae), plusieurs composés cytotoxiques similaires qu’ils avaient nommés halichondrines. Ils identifièrent d’abord la norhalichondrine A, puis sept nouvelles halichondrines, dont l’halichondrine B (Figure 5), composé le plus actif de la série [ 21]. En 1987, G.R. Pettit récolte 250 kg de Phakellia carteri et isole de nouvelles halichondrines qu’il nomme halistatines [ 22].

En 1987, J.W. Blunt, M.H.G. Munro et leurs collègues identifient des halichondrines dans deux espèces d’éponges de Nouvelle-Zélande, Raspalia agminata et Lissodendoryx sp. De nouvelles extractions de la première récolte sont effectuées afin d’identifier les composés responsables de leur activité biologique : on y détecte l’halichondrine B, l’homohalichondrine B et un nouveau composé, l’isohomohalichondrine B. Une récolte de 200 kg de Lissodendoryx sp. permettra la purification de 43 mg d’halichondrine B, 45 mg d’homohalichondrine B et 57 mg d’isohomohalichondrine B [ 23].

Une première synthèse totale d’halichondrine B et de norhalichondrine B sera réalisée en 1992 par Y. Kishi [ 24]. Cependant, aucune des approches tentées ne permettra d’obtenir des halichondrines en quantités suffisantes pour les essais cliniques [ 25]. Une tentative d’aquaculture de l’éponge productrice d’halichondrines sera vite abandonnée en raison d’un rendement trop faible et d’un coût trop important.

L’halichondrine B agit sur la tubuline par un mécanisme d’action différent de celui des vinca-alcaloïdes. Elle inhibe de manière non compétitive la liaison entre la tubuline et les vinca-alcaloïdes par une action allostérique. Elle bloque la cellule en phase G2/M du cycle cellulaire, et interrompt la formation du fuseau mitotique par la déstabilisation des microtubules [ 26]. Malgré son activité in vitro et in vivo (xénogreffes chez l’animal) sur des cancers chimiorésistants humains, le développement de l’halichondrine B a été arrêté en raison des difficultés d’approvisionnement.

Entre-temps, la société pharmaceutique Eisai Inc. développe de nombreux dérivés synthétiques actifs aux structures simplifiées, et leur disponibilité ouvre la voie à un développement clinique. Le dérivé optimisé E7389 (éribuline) est actif dans de nombreux modèles de tumeurs humaines greffées chez l’animal, et présente une meilleure affinité envers la tubuline que l’halichondrine B. Comme l’halichondrine B, l’éribuline inhibe la polymérisation des microtubules, conduisant à l’apoptose de la cellule après un blocage prolongé de la mitose [26]. Les résultats encourageants des études précliniques et des études de phase I (2005-2007) ont permis à l’éribuline d’être testée en clinique, dans des essais de phases II (2008) et III (2010) en Europe, au Japon et aux États-Unis. Les derniers essais de phase III ont démontré que ce composé était un excellent agent thérapeutique pour le cancer du sein. Le 15 novembre 2010, le mésylate d’éribuline (nommé Halaven^®) a été approuvé par la food and drug administration (FDA) pour le traitement du cancer du sein métastatique chez les patients ayant déjà reçu deux traitements de chimiothérapie. Il a reçu l’AMM européenne le 17 mars 2011 dans la même indication [ 27].

En 1972, G.R. Pettit récolte Cephalodiscus gilchristi, un hémicordé marin de la famille des Cephalodiscidae, sur la côte sud-est de l’Afrique. Stimulé par la forte activité antitumorale des extraits de cet organisme, G.R. Pettit parvient, en 1988, à purifier et à identifier la première molécule active, la céphalostatine 1 (Figure 6), dont la structure sera déterminée après cristallisation [ 28]. La céphalostatine 1 est le premier membre d’une famille de 19 céphalostatines. Les ritterazines, structurellement proches des céphalostatines, sont découvertes par N. Fusetani de 1994 à 1997, chez l’ascidie Ritterella tokioka [ 29].

En 1998, P.L. Fuchs réussit la première synthèse totale de la céphalostatine 1 en 65 étapes, et celle des céphalostatines 7 et 12 et de la ritterazine K [ 30]. Les très faibles quantités produites et les rendements très faibles (2 mg de céphalostatine 1 avec un rendement de 0.00001 %) ne permettent pas d’envisager des tests biologiques à un coût raisonnable. La synthèse totale, réalisée par M.D. Shair en 2010, offre une nouvelle approche pour une production à plus grande échelle [ 31].

La céphalostatine 1 est efficace dans plusieurs modèles de xénogreffes de mélanomes, sarcomes, leucémies et carcinomes mammaires humains. A.M. Vollmar et son groupe découvrent en 2008 que la céphalostatine 1 induit l’apoptose par une voie de signalisation indépendante du cytochrome c, impliquant l’activation de la caspase 9 sans formation d’un apoptosome (complexe formé par le cytochrome c, la procaspase 9 et le facteur cytosolique Apaf-1) [ 32].

Une récolte de 400 kg de Spongia sp., une éponge de la famille des Spongiidae, faite aux Maldives en 1988, permet à G.R. Pettit de purifier 13,8 mg d’un nouveau composé, la spongistatine 1, très actif sur les lignées de cellules tumorales [ 33] (Figure 6). D’autres composés très similaires seront découverts simultanément, mais de manière indépendante, les altohyrtines issues de Hyrtios altum, par I. Kitagawa [ 34], et les cinachyrolides issues de Cinachyra sp., par N. Fusetani [ 35]. G.R. Pettit détermine la structure de huit autres spongistatines entre 1993 et 1994 [ 36].

La configuration absolue de la spongistatine 1, initialement déduite par G.R. Pettit, est confirmée en 1998 par Y. Kishi après synthèse totale [ 37, 38]. En 2005, M. Ball réduit le nombre d’étapes de la synthèse totale de la spongistatine 1 de 65 à 46 [ 39], et, en 2008, le protocole de synthèse totale établi par A.B. Smith III permet d’atteindre le gramme [ 40].

Les spongistatines agissent via une inhibition de l’assemblage des microtubules. Elles se lient sur un site unique du dimère de tubuline (distinct du site de liaison des vinca-alcaloïdes), conduisant à l’inhibition de la polymérisation de la tubuline [ 41].

La spongistatine 1 est le composé le plus actif de la famille sur le panel des 60 lignées cellulaires cancéreuses humaines du NCI et sur les cellules chimiorésistantes. À de faibles concentrations, elle a montré des effets antitumoraux in vitro sur des cellules de mélanome humain et in vivo sur des xénogreffes de tumeurs ovariennes, sans toxicité apparente [ 42]. Le très faible rendement d’extraction et la synthèse très complexe ne permettent pas d’envisager actuellement de développements cliniques. L’optimisation récente de la synthèse totale de la spongistatine 1 devrait lui permettre de continuer son parcours [40].

À la suite de récoltes en Afrique du Sud en janvier 1979, pour le programme de recherche du NCI-USDA, G.R. Pettit s’intéresse aux composés présents dans l’écorce de Combretum caffrum, un arbuste de la famille des Combretaceae. Il y découvre les combrétastatines dont la structure moléculaire est déterminée en 1982 [ 43].

La première synthèse d’un mélange racémique de combrétastatines est réalisée par C.S. Annapurna en 1983 [ 44]. La synthèse totale de la molécule naturelle est réalisée par G.R. Pettit en 1985 [ 45].

Les combrétastatines sont caractérisées par une activité biologique remarquable d’inhibition de la polymérisation de la tubuline. La molécule la plus puissante est la combrétastatine A4 (CA4), mais sa solubilité limitée en milieu aqueux conduit à la synthèse d’un dérivé plus soluble, la combrétastatine A4 phosphate (CA4-P) (Figure 7) [ 46]. Cette molécule possède une action spécifique sur les vaisseaux sanguins irriguant les tumeurs. Elle provoque une diminution importante du débit sanguin au niveau de la tumeur dont elle induit la nécrose [ 47, 48].

Le CA4-P a fait l’objet d’essais cliniques de phase II et est actuellement évaluée dans le traitement du cancer de la thyroïde. Les combrétastatines servent de modèles pour la synthèse de nombreux analogues, dont trois sont en phase d’essais cliniques, et onze en développement préclinique [47, 48]. En 1998, quatre essais cliniques ont débuté pour le CA4-P, et des essais en phases I, Ib, I/II, et II ont continué jusqu’en 2007. Les données précliniques pour le CA4-P indiquent qu’il induit une réduction significative du flux sanguin dans les tumeurs et une nécrose tumorale, mais suggèrent l’intérêt de sa combinaison avec d’autres médicaments anticancéreux ou avec la radiothérapie. En juillet 2003, la FDA accorde le statut de médicament orphelin au CA4-P pour le traitement du cancer anaplasique avancé de la thyroïde et le cancer médullaire de la thyroïde. En mai 2006, le CA4-P est aussi approuvé pour le traitement du cancer de l’ovaire en combinaison avec le carboplatine et le paclitaxel. Fin 2007, le CA4-P (sous le nom de Zybrestat) a bénéficié d’une procédure d’approbation accélérée par la FDA dans les cancers de la thyroïde résistants aux traitements classiques. Le Zybrestat est le premier agent d’interruption vasculaire (vascular disrupting agent) d’origine naturelle à être approuvé [47, 48].

Au cours du premier essai clinique de phase II de la CA4-P chez 23 patients atteints de dégénérescence maculaire myopique (DMM) en 2007, une stabilisation de la vision a été observée. La DMM et la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) sont des maladies oculaires progressives, liées à une croissance anormale des vaisseaux sanguins de la choroïde qui infiltrent la rétine, conduisant à terme à la cécité. D’autres essais sont envisagés dans d’autres maladies oculaires faisant intervenir aussi une néovascularisation, comme la rétinopathie diabétique et le rétinoblastome [ 49].

Hymenocallis littoralis (Pancratium littorale), une plante à fleur de la famille des Amaryllidaceae, est sélectionnée en raison de sa bioactivité par le programme de recherche de substances naturelles du NCI. Des extraits de bulbes d’H. littoralis, récoltés en 1980 à Hawaii, permettent à G.R. Pettit d’identifier, en 1984, un nouvel isocarbostyril actif, la pancratistatine [ 50], remarquablement proche de la narciclasine [ 51] (Figure 7).

La première synthèse totale de pancratistatine est réalisée en 1989 par S.J. Danishefsky et J.Y. Lee [ 52]. D’autres suivront, diminuant le nombre d’étapes, améliorant le rendement et ouvrant de bonnes perspectives pour le développement clinique.

Dans les cellules cancéreuses, la pancratistatine semble agir directement sur la mitochondrie : on y observe ainsi une augmentation de la quantité de ROS (reactive oxygen species), contrairement aux cellules normales, qui semble liée à un dysfonctionnement mitochondrial, mais dont le mécanisme est encore mal défini [ 53].

Les premières évaluations de l’activité de cette molécule dans des lignées tumorales (cellules leucémiques lymphocytiques P-388 murines et sarcomes ovariens M-5076) révèlent une forte inhibition de la prolifération tumorale in vivo. En 2006, une culture extensive d’H. littoralis et la récolte de 160 000 bulbes par des volontaires d’une prison proche de Phoenix permettront à G.R. Pettit d’obtenir des quantités suffisantes de pancratistatine pour effectuer des tests cliniques. Entre 2007 et 2010, de nombreuses études biologiques ciblées révèlent la diversité d’action de ce composé, dont celle sur la vascularisation tumorale (inhibition complète après seulement 2 h de traitement) [ 54].