title: Entwicklung von Dithiocarbazat- und Dithiocarbamat-Derivaten als potenzielle Anthelminthika gegen Schistosoma mansoni
title: Development of dithiocarbazate and dithiocarbamate derivatives as potential anthelminthics against Schistosoma mansoni
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Gallinger, Tom Lukas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2022
Subjects: Anthelminthika
Synthese
biologische Testung
dithiocarbazate
Arzneistoffentwicklung
Sulfoximine
Sulfonimidamide
sulfonimidamides
Testung
Dithiocarbazate
drug development
synthesis
Natural sciences &amp; mathematics
Naturwissenschaften
sulfoximines
Schistosomiasis
dithiocarbamate
anthelminthics
Dithiocarbamate

description: Schistosomiasis oder Bilharziose ist eine Infektionskrankheit, die durch Saugwürmer der Gattung Schistosoma verursacht wird und zu akuten und chronischen Erkrankungen des Wirts führt, die insbesondere in armen Gemeinden in tropischen und subtropischen Gebieten erhebliche gesundheitliche und wirtschaftliche Auswirkungen haben. Aktuellen Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zufolge benötigten im Jahr 2019 mindestens 236,6 Millionen Menschen eine präventive Behandlung, 105,4 Millionen wurden behandelt. Derzeit steht für diese Arzneistofftherapie nur ein einziges Medikament - Praziquantel (PZQ) – zur Verfügung. Aus diesem Grund müssen neue antischistosomale Verbindungen entwickelt werden. In enger Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Grevelding wurden von der Gruppe von Prof. Schlitzer, ausgehend von dem früheren Medikament und Aldehyddehydrogenase-Hemmer Disulfiram, Dithiocarbamate mit antischistosomaler Aktivität gefunden. In diesen Vorarbeiten von Patrick Mäder und Georg A. Rennar wurden Substanzen mit in vitro antischistosomaler Aktivität im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. Die vorliegende Arbeit stellt die Fortsetzung der Entwicklung der Dithiocarbamate und der eigenen Vorarbeiten des Autors auf dem Gebiet der strukturell verwandten Dithiocarbazate als potenzielle Anthelmintika dar. Im Mittelpunkt des ersten Teils der Arbeit stand die Untersuchung der biologischen Wirkung einer weiteren Verzweigung der Dithiocarbazat-Struktur. Zu diesem Zweck wurden zunächst die bestmöglichen unverzweigten Dithiocarbazat-Analoga identifiziert und anschließend weiter derivatisiert. Nach umfangreicher Optimierung der Synthesebedingungen konnten verzweigte Dithiocarbazate erhalten werden. Während sich N-unverzweigte Dithiocarbazate als weniger antischistosomal aktiv erwiesen als Dithiocarbamate, konnte die Aktivität durch weitere N-Substitution gesteigert werden. So wurden Verbindungen mit einer in vitro antischistosomalen Aktivität von 5 µM erhalten, womit sie im gleichen Aktivitätsbereich wie die besten Dithiocarbamate liegen. Die verzweigten Dithiocarbazate - mit einem N-Aminopiperazin - wurden aufgrund der aufwendigen Synthese vereinfacht. Die resultierenden verzweigten Dithiocarbamate - mit einem 4-Aminopiperidin - waren jedoch deutlich weniger wirksam. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Weiterentwicklung der Dithiocarbamate. Bei dieser Substanzklasse ging es zunächst darum, die Nitrobenzylgruppe zu ersetzen und neue funktionelle Gruppen auf der Seite des Stickstoffsubstituenten zu evaluieren. Durch die Einführung von heteroaromatischen Substituenten wurde nur ein Derivat mit einer dem Nitrobenzyl-Derivat vergleichbaren Aktivität identifiziert. Der Austausch der Sulfonamid- oder S,S-Dioxid-Gruppen auf der Stickstoffseite gegen Sulfonimidamid- oder Sulfoximin-Strukturen führte zu einem drastischen Verlust an antischistosomaler Aktivität. Dieser Aktivitätsrückgang konnte durch weitere Substitution dieser neuen, medizinisch-chemisch interessanten funktionellen Gruppen nicht kompensiert werden. Da durch diese Modifikationen keine weiteren Entwicklungskandidaten identifiziert werden konnten, wurden insgesamt sieben, bereits in früheren Arbeiten erhaltene, Dithiocarbamate weiter charakterisiert. In Zusammenarbeit mit der Firma Merck KGaA wurden in vitro ADMET-Daten erhoben. Die meisten Verbindungen erwiesen sich als schlecht löslich, zeigten aber ansonsten keine wesentlichen limitierenden Eigenschaften. Anschließend wurden die beiden vielversprechendsten Kandidaten in einem in-vivo-Modell auf ihre antischistosomale Aktivität getestet. Leider erwies sich eine Verbindung als inaktiv und die andere als nur mäßig aktiv, gepaart mit einem hohen Toxizitätspotenzial. Da die beiden in vivo evaluierten Verbindungen keine Grundlage für die weitere Entwicklung boten, wurden in dieser Arbeit erste Ansätze für ein strukturbasiertes Inhibitor-Design einer schistosomalen Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH) entwickelt. Darüber hinaus wurde durch die Synthese von fluoreszenzmarkierten Dithiocarbamaten und durch Docking-Studien eine mögliche Wirkungsweise der Dithiocarbamate untersucht. Darüber hinaus wurden potenzielle Metabolite eines Dithiocarbamat-Derivats synthetisiert und anschließend mittels NMR und Kristallstrukturanalyse charakterisiert.
description: Schistosomiasis or bilharzia is an infectious disease caused by blood flukes of the genus Schistosoma and leads to acute and chronic conditions of the host, resulting in considerable health and economic effects especially in poor communities in tropical and subtropical areas. Recent estimates of the World Health Organization (WHO) showed that at least 236.6 million people required preventive treatment in 2019 with 105.4 million being treated. Since this large-scale treatment relies on only one single drug – praziquantel (PZQ) – new antischistosomal compounds need to be developed. In close collaboration with the lab of Prof. Grevelding, dithiocarbamates with antischistosomal activity were found by the group of Prof. Schlitzer, starting from the former drug and aldehyde dehydrogenase inhibitor disulfiram. In this preliminary work by Patrick Mäder and Georg A. Rennar substances with in vitro antischistosomal activities in the low micromolar range were identified. The present work represents the continuation of the development of dithiocarbamates and the author's own preliminary work in the field of structurally related dithiocarbazates as potential anthelmintics. The centrepiece of the first part of the work was the investigation on the biological effects of a further branching of the dithiocarbazate structure. To this end, the best possible unbranched dithiocarbazate analogs were first identified and then further derivatized. After extensive optimization of the synthesis conditions branched dithiocarbazates could be obtained. While N-unbranched dithiocarbazates were found to be less antischistosomally active than dithiocarbamates, the activity was increased by further N-substitution. Thus, compounds with an in vitro antischistosomal activity of 5 µM were obtained, placing them in the same activity range as the best dithiocarbamates. Due to the elaborate synthesis, the branched dithiocarbazates – containing a N-aminopiperazine – were simplified, but the resulting branched dithiocarbamates – containing a 4-aminopiperidine – were considerably less effective. The second part of the work concerned on the further development of the dithiocarbamates. In this substance class, the initial focus was on replacing the nitro benzyl group and on evaluating new functional groups on the side of the nitrogen substituent. By the introduction of heteroaromatic substituents only one derivative with an activity comparable to the nitro benzyl derivative was identified. The exchange of the sulfone amide or S,S-dioxide moieties on the nitrogen side for sulfonimidamide or sulfoximine structures led to a tremendous loss of antischistosomal activity. This decline in activity could not be compensated by further substitution of these new, medicinal-chemically interesting functional groups. Since no additional development candidates were identified through these modifications, a total of seven dithiocarbamates already obtained in earlier work were further characterized. In cooperation with Merck KGaA, in vitro ADMET-data were obtained and most of the compounds were found to be poorly soluble but otherwise showed no major limiting properties. Subsequently, the two most promising candidates were tested in an in vivo model for their antischistosomal activity. Unfortunately, one compound was found to be inactive and the other was only moderately active, paired with a high toxicity potential. Since the two compounds evaluated in vivo failed to provide a basis for further development, initial approaches for a structure-based inhibitor design of a schistosomal aldehyde dehydrogenase (ALDH) were developed in this work. In addition, by synthesis of fluorescence labelled dithiocarbamates and through docking studies a possible mode of action of the dithiocarbamates was investigated. Furthermore, potential metabolites of a dithiocarbamate derivative were synthesized and subsequently characterized by means of NMR and X-ray crystallography.