Rationales Design, Synthese und Testung kovalent-reversibler Cysteinproteaseinhibitoren
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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.