title: Arpromidine-related acylguanidines: synthesis and structure-activity relationships of a new class of guanidine-type histamine H2 receptor agonists with reduced basicity
Creators: name: Ghorai, Prasanta
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2006
Subjects: subject: Histaminrezeptorsynergist , Guanidinderivate , Struktur-Aktivitäts-Beziehung , Chemische Synthese , NG-Acylguanidine , Histamin H2 Rezeptor Agonist , Oxo-arpromidine , NG-Acylguanidines , histamine H2 receptor agonists , oxo-arpromidine
subject: 540 Chemie

description: There has been increasing evidence that histamine receptor stimulation might be an interesting aspect for the development of future drugs as well. Arpromidine and related imidazolylpropylguanidines are the most potent H2R agonists on the isolated guinea pig right atrium. The strongly basic guanidino group is essential for the agonistic activity but it is also responsible for very low oral bioavailability, non-H2R-mediated effects and lack of penetration across the blood-brain barrier. Therefore, the objective of this work was to design, synthesize and characterize histamine H2 receptor agonists, structurally related to arpromidine, but with lower basicity in order to achieve more favourable pharmacokinetic properties, in particular, oral bioavailability and penetration across the blood-brain barrier. The first part of this project was to develop a general synthetic route for the synthesis of NG-acylated imidazolylpropylguanidines. In Chapter 3, the development of a very convenient and straight forward synthetic route is described for the synthesis of NG-acylated guanidines, from the commercially available starting material, urocanic acid and guanidine, followed by coupling of acids. Then the synthesised compounds were pharmacologically tested on isolated guinea pig tissues (ileum: H1R, H3R; right atrium: H2R), on human H1R expressing cells (U373MG) and on membrane preparations of guinea pig and human histamine H2 or H4 receptor expressing Sf9 cells. The basicity of the acylguanidines is by 4-5 orders of magnitude lower than that of the corresponding guanidines. Acyl and alkyl guanidines are about equipotent as, for instance, demonstrated for the diphenylpropyl versus the diphenylpropanoyl and for impromidine versus the oxo-substituted analogue. Surprisingly, compounds with only one phenyl ring are equally or even more potent than the diaryl analogues. On the isolated guinea pig right atrium the most active H2R agonist, the 3-phenylbutanoyl substituted guanidine was about 30 times more potent than the natural ligand. However, the acylated imidazolylpropylguanidines are superior with respect to pharmacokinetic properties. A very important finding is that the compounds are absorbed from the gastrointestinal tract and are capable of penetrating through the blood-brain barrier. Centrally active H2R agonists will be useful pharmacological tools to study the role histamine H2 receptors in the brain. In Chapter 4, the bioisosteric replacement of the imidazolyl moiety in NG-acylated guanidine-type histamine H2 receptor agonists by a 2-amino-4-methylthiazol-5-yl group resulted in about the same H2R agonistic potency on the isolated guinea pig right atrium as well as in GTPase assays. Interestingly, in the GTPase assay on the human H2R the thiazolyl analogue with cyclohexylbutanoyl substituent was favoured compared to the corresponding phenylbutanoylguanidine. This may be interpreted a hint that a certain degree of selectivity for the human H2R may be achieved by structural variation of both the acyl and the heterocyclylpropyl group. Moreover, the aminothiazoles proved to be devoid of H3R antagonistic activity. Thus, the selectivity for H2R versus H3R can be considerably improved. In Chapter 5, the stereoselective preparation of enantiomers of several chiral new H2R agonists is described. The building block (R and S)-3-phenylbutanoic acid was synthesized from the achiral precursor, methyl (E)-but-2-enoate, via asymmetric conjugate addition of phenylboronic acid by using a catalytic amount of rhodium catalyst and chiral binap ligand, followed by hydrolysis of the methyl ester. The corresponding chiral pyridyl acids with high ee (95-99 %), were prepared by the lipase catalysed enantioselective acetylation of racemic 1-(2-pyridyl)ethanol, followed by SN2 displacement with sodium salt of dimethyl malonate, and finally the decarboxylation of saponified product. Interestingly, the preferred stereoisomers were conversely configured in case of the imidazolyl compound (R &gt; S) and its aminothiazolyl analogue (S &gt; R), respectively. This information is of particular interest with respect to the further refinement of receptor models, as the binding mode of imidazoles and aminothiazoles appears to be different. Meanwhile imidazolylpropylguanidines and corresponding acylated analogues were found to be useful building blocks beyond the preparation of H2R agonists, for instance for the synthesis of ligands preferentially binding to other histamine receptor subtypes, to neuropeptide Y Y1 or Y4 receptors. Thus, there is increasing evidence that in terms of medicinal chemistry the imidazolylpropylguanidine moiety and the acylated analogues may be considered �privileged structures�. An extremely promising perspective results from very recent studies: surprisingly, some of the acylguanidines proved to be rather potent as either agonists or inverse agonists at the recently discovered H4R.
description: Das Interesse an Histamin-H2-Rezeptoragonisten als potentiellen Arzneistoffen und pharmakologischen Werkzeugen nimmt u. a. wegen der Induktion der Zelldifferenzierung von Leukämiezellen sowie wegen der möglichen neuropharmakologischen Wirkung zu. Die in unserer Arbeitsgruppe ursprünglich zur Behandlung schwerer Formen der Herzinsuffizienz entwickelten Imidazolylpropylguanidine vom Typ des Arpromidins sind die potentesten beschriebenen H2R-Agonisten. Sie erreichen am isolierten Meerschweinchen-Atrium etwa die 400fache Wirkstärke von Histamin, sind jedoch an humanen H2R schwächere bzw. partielle Agonisten. Außerdem sind diese Substanzen, die aufgrund ihrer stark basischen Guanidingruppe bei physiologischem pH-Wert praktisch quantitativ protoniert vorliegen, peroral unwirksam und nicht in der Lage, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden H2R-Agonisten synthetisiert, die sich von Arpromidin und verwandten Imidazolylpropylguanidinen ableiten, aber anstelle der Guanidin- eine Acylguanidin-Partialstruktur aufweisen und deshalb eine um 4-5 Zehnerpotenzen geringere Basizität besitzen. Die Substanzen liegen bei physiologischem pH-Wert teilweise nur protoniert vor, so dass davon auszugehen ist, dass sie einerseits wie die Guanidiniumstruktur der Arpromidine mit Asp98 in der dritten Helix des H2Rs interagieren und andererseits - im ungeladenen Zustand - Membranen permeieren können. Die Synthese der acylierten Guanidine gelang in guter Ausbeute durch die Herstellung eines am Guanidin Cbz-geschützten Imidazolylpropylguanidins mittels Mitsunobu-Reaktion und die anschließende Acylierung des Guanidinsystems. Die Substanzen wurden wegen schlechter Kristallisationseigenschaften mittels präparativer RP-HPLC gereinigt. Der Acylrest der Zielverbindungen wurde vor allem in Anlehnung an bewährte Substitutionsmuster der Arpromidinreihe variiert. Bei ausgewählten Beispielen wurde der Imidazolrest durch eine 2-Amino-5-methylthiazol-Partialstruktur ersetzt, zudem wurden exemplarisch die Stereoisomere von 3-Arylpropanoyl-substituierten Heteroarylpropylguanidinen hergestellt. Die enantioselektive Synthese der benötigten 3-Phenylbuttersäuren gelang mit 99 % ee aus (E)-Butensäuremethylester nach der Hayashi-Methode durch Addition von Phenylboronsäure in Gegenwart von [Rh(acac)(C2H4)2] und (R)- oder (S)-Binap. Zur Bestimmung der Enantiomerenreinheit kamen CE- und HPLC-Methoden zum Einsatz. Die Herstellung von (S)- und (R)-3-(2-Pyridyl)buttersäure gelang, indem durch Einsatz einer Lipase aus 1-(2-Pyridyl)ethylacetat selektiv die enantiomeren Alkohole hergestellt und durch SN2-Reaktion mit Dimethylmalonat, Hydrolyse und Decarboxylierung in die betreffenden optischen Antipoden überführt wurden. Die hergestellten Substanzen wurden an isolierten Organen des Meerschweinchens, an Histaminrezeptoren exprimierenden humanen Zellen und an Insektenzellen (Sf9), die Fusionsproteine von Histaminrezeptoren und G-Proteinen exprimieren, untersucht (Kooperation mit Prof. Seifert und Prof. Elz, Regensburg). Die neuen H2R-Agonisten sind am Meerschweinchen-Atrium bis zu etwa 30fach potenter als Histamin, sie zeigen an humanen und Meerschweinchen-H2R andere Struktur-Wirkungs-Beziehungen als die Arpromidine, und sie besitzen günstigere pharmakokinetische Eigenschaften. Ein zweiter aromatischer Ring ist nicht erforderlich, so dass sich die Möglichkeit ergibt, die Strukturvariationen in weiterführenden Arbeiten erheblich auszudehnen. Zur Vorhersage wirksamer Substanzen soll dabei in Zukunft verstärkt ein Rezeptormodell herangezogen werden, das in Vorarbeiten entwickelt und bereits zur Untersuchung der Bedeutung des Asp271 des H2Rs für speziesabhängige Aktivitätsunterschiede erfolgreich eingesetzt wurde. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit hergestellten Substanzen schaffen eine wichtige Basis für den verbesserten Einsatz dieser Methoden. Am H1R zeigten die Substanzen nur schwache antagonistische Aktivität. Wie erwartet erwiesen sich jedoch die Substanzen mit Imidazolpropylguanidin-Partialstruktur als relativ stark wirksame H3R-Antagonisten. Dieser Effekt konnte durch den Einbau eines Aminothiazols anstelle des Imidazolrestes beseitigt werden. Überraschenderweise wurden in der Klasse der neu synthetisierten NG-acylierten Imidazolylpropylguanidine auch sehr potente H4R-Agonisten gefunden (Daten nicht in der Dissertation enthalten). Mit der neuen Substanzklasse der acylierten Imidazolylpropylguanidine scheint es erstmals möglich, oral wirksame sowie hirngängige H2-Agonisten für die Untersuchung der H2-histaminergen Neurostimulation im Zentralnervensystem zu erhalten. Erste HPLC-MS-Untersuchungen zur Verteilung N-acylierter Imidazolylpropylguanidine in der Maus waren diesbezüglich sehr erfolgversprechend: zwei exemplarisch untersuchte Acylguanidine waren nach peroraler Applikation im Blut und nach intraperitonealer Applikation im Gehirn nachweisbar.