Covalent Cysteine Protease Inhibitors in Disease: How to Optimize their Pharmacokinetic Properties and Selectivity Profiles

Abstract

Cysteine proteases have become promising targets for drug development, particularly in light of recent advancements in treating COVID-19 with nirmatrelvir, a covalent reversible inhibitor of the SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Given the wide range of cysteine proteases found in various organisms, the potential applications of covalent cysteine protease inhibitors to address parasitic, viral, cancerous, and autoimmune diseases are numerous. However, achieving effective drug delivery to target sites and minimizing off-target effects requires the development of selective scaffolds with optimal physicochemical properties. In this dissertation, I present the development of selective (F-)vinylsulfon(at)e-based cysteine protease inhibitors with beneficial pharmacokinetic properties, focusing on three target proteases from the cathepsin family as examples: Trypanosoma brucei cathepsin L (TbCatL, rhodesain), Schistosoma mansoni cathepsin B1 (SmCB1), and human cathepsin S (CatS). Molecular docking studies combined with enzyme and phenotypic assays were crucial for the inhibitor design and evaluation. The results of these studies have been essential in guiding the development of inhibitors with enhanced efficacy and selectivity. Moreover, valuable insights into the biodistribution and metabolism of several compounds have been obtained through in vivo studies as well as in vitro metabolism studies. To further improve efficacy, targeted drug delivery strategies were explored in one of the projects.

Cysteinproteasen sind zu vielversprechenden Zielstrukturen für die Arzneimittelentwicklung geworden, insbesondere angesichts der jüngsten Fortschritte bei der Behandlung von COVID-19 mit Nirmatrelvir, einem kovalent-reversiblen Inhibitor der SARS-CoV-2 Main Protease (Mpro). Angesichts des breiten Spektrums an Cysteinproteasen, die in verschiedenen Organismen vorkommen, gibt es zahlreiche potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für kovalente Cysteinprotease-Inhibitoren zur Behandlung von parasitären, viralen, cancerogenen und Autoimmunkrankheiten. Um jedoch einen effektiven Wirkstofftransport an die Zielorte zu erreichen und Off-Target-Effekte zu minimieren, ist die Entwicklung selektiver Strukturen mit optimalen physikochemischen Eigenschaften erforderlich. In dieser Dissertation wird die Entwicklung selektiver auf (F-)Vinylsulfon(at)en basierender Cysteinprotease-Inhibitoren mit vorteilhaften pharmakokinetischen Eigenschaften präsentiert, mit Fokus auf drei Zielproteasen aus der Cathepsin-Familie: Trypanosoma brucei cathepsin L (TbCatL, rhodesain), Schistosoma mansoni cathepsin B1 (SmCB1) und das humane Cathepsin S (CatS). Molekulare Docking-Studien in Verbindung mit Enzymassays und phänotypischen Tests waren entscheidend für die Entwicklung und Bewertung der Inhibitoren. Die Ergebnisse dieser Studien waren ausschlaggebend für die Entwicklung von Inhibitoren mit verbesserter Wirksamkeit und Selektivität. Darüber hinaus wurden durch In-vivo-Studien und In-vitro-Metabolismus-Studien wertvolle Erkenntnisse über die biologische Verteilung und den Metabolismus einiger Substanzen gewonnen. Um die Wirksamkeit weiter zu verbessern, wurden in einem der Projekte Strategien zur gezielten Verabreichung („targeted delivery“) verfolgt.