Authors:	Kesselring, Jochen
Title:	Rationales Design, Synthese und Testung kovalent-reversibler Cysteinproteaseinhibitoren
Online publication date:	29-Mar-2017
Language:	german
Abstract:	Trotz der Tatsache, dass einigen der erfolgreichsten zugelassenen Arzneistoffe ein kovalenter, irreversibler Wirkmechanismus zugrunde liegt und in den letzten Jahren einige Vorurteile gegenüber Wirkstoffkandidaten mit einem solchen Wirkmechanismus abgebaut wurden, existieren nach wie vor noch Bedenken gegenüber solchen Substanzen. So wird mit kovalenten Inhibitoren ein toxisches und immunogenes Potenzial in Verbindung gebracht, welches aus unspezifischen Reaktionen mit off-target-Molekülen resultieren könnte. Trotz zahlreicher positiver Eigenschaften von kovalenten Inhibitoren (u.a. erhöhte Affinität und längere Wirkdauer, Vermeidung von Resistenzentwicklung, günstige Pharmakokinetik), wurden in der Vergangenheit kaum Anstrengungen unternommen, gezielt solche kovalenten Inhibitoren zu entwickeln. Eine Möglichkeit einige der potenziellen Risiken von kovalenten Inhibitoren zu vermeiden und gleichzeitig die positiven Eigenschaften beizubehalten, besteht in der Entwicklung von kovalent-reversiblen Inhibitoren. Im Rahmen dieser Arbeit sollten gezielt Cysteinproteaseinhibitoren mit einem solchen kovalent-reversiblen Mechanismus entwickelt werden. Der Fokus lag dabei insbesondere auf der parasitären Cysteinprotease Rhodesain, ein target zur Behandlung der Afrikanischen Trypanosomiasis („Schlafkrankheit“). Zum rationalen Design wurden verschiedene computergestützte Methoden wie QM/MM-Berechnungen und Methoden des molekularen Dockings eingesetzt. Basierend auf der Leitstruktur K11777 – ein kovalenter und irreversibler Inhibitor aus der Strukturklasse der Vinylsulfone – konnten so Halogen-substituierte Vinylsulfone identifiziert und synthetisiert werden, die den angestrebten kovalent-reversiblen Wirkmechanismus aufweisen. Dabei konnte die Reversibilität durch Verdünnungsassays und Dialyseexperimente nachgewiesen werden, während eine kovalente Bindung durch massenspektrometrische Untersuchungen belegt wurde. Weiterhin wurde die peptidische Erkennungssequenz der Leitstruktur modifiziert, mit dem Ziel eine Verbesserung der Affinität zu dem Zielenzym zu erreichen. Basierend auf Dockinguntersuchungen konnten so weitere Verbindungen synthetisiert werden, die neben dem kovalent-reversiblen Wirkmechanismus eine höhere Affinität zu Rhodesain aufweisen. Des Weiteren konnten im Rahmen dieser Strukturoptimierungen Verbindungen identifiziert werden, die eine verbesserte Selektivität gegenüber der parasitären Protease im Vergleich zu den humanen Cathepsinen B und L sowie eine höhere antitrypanosomale Aktivität, bei gleichzeitig verminderter Toxizität, zeigen. Even though the mechanism of action of some of the most successful marketed drugs is based on an irreversible formation of a covalent bond to their respective targets and some prejudices against drug candidates with such a mechanism could be reduced in the last years, there are still some concerns about this type of inhibitors. These concerns include the potential of immunogenic and toxic reactions, arising from possible unspecific off-target reactions. Despite several positive characteristics of covalent inhibitors (e.g. better affinity, longer residence time, lowered risk of resistances, favorable pharmacokinetic profile), only few efforts have been made to rationally design such covalent inhibitors. One possibility to avoid the potential risks of covalent inhibitors, while maintaining some of the advantageous characteristics, is the design of covalent-reversible inhibitors. The aim of this work was the rational design of cysteine protease inhibitors with such a covalent-reversible mechanism. In particular the focus was put on the parasitic cysteine protease rhodesain, a target for the treatment of African trypanosomiasis (“sleeping sickness”). For the rational design several methods of computer-aided drug design, including QM/MM-calculations and molecular docking were employed. Using these methods, halogen-substituted vinylsulfones, based on the lead structure K11777 – a covalent and irreversible inhibitor – were identified and synthesized, showing the desired covalent-reversible mechanism of action. The reversibility of the inhibition was shown by dilution assays and dialysis experiments, while the formation of a covalent bond could be proofed by mass spectrometric investigations. Further on, the peptidic recognition unit of the lead structure was modified to achieve an increased affinity to the target enzyme. Based on docking investigations several substances were synthesized, showing not only a covalent-reversible mechanism of action, but also an increased affinity to rhodesain. Some of the substances identified in the framework of these structure optimizations additionally showed an increased selectivity against the parasitic protease compared to the human cathepsins B and L. Furthermore some of the reversible inhibitors showed an increased antitrypanosomal activity, while less toxicity was observed.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4537
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	in Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 191 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen