title: Structure-Based Design, Synthesis and Affinity Determination of novel HIV-1 Protease Inhibitors
title: Strukturbasiertes Design, Synthese und Affinitätsbestimmung neuartiger HIV-1-Protease-Inhibitoren
Creators: name: Klee, Nina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Synthese
Bizyklen, Fragment
Chemische Synthese
Protease , Inhibitor
Naturwissenschaften
Fragment
Arzneimitteldesign
Enzym , Enzyminhi
HIV-Proteaseinhibitor
HIV
HIV , HIV-Infektion
Prodrug
Proteasen
Organische Synthese

description: Mit dem humanen Immunschwäche Virus
      (HIV), dem Verursacher des erworbenen Immunschwäche Syndroms,
      welches auch als AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrom)
      bezeichnet wird, sind heute weltweit 34 Millionen Menschen
      infiziert. Trotz beachtlicher Erfolge mit den 26 aktuell
      zugelassenen Wirkstoffen im Kampf gegen das Virus, stellen
      Resistenzen und Nebenwirkungen weiterhin eine große
      Herausforderung für die Arzneistoffforschung dar. Ein
      bedeutendes Zielenzym für Virustatika ist die HIV-Protease,
      ein virales Enzym, welches für die Vermehrungsfähigkeit von
      HIV essentiell ist. Zurzeit befinden sich 10 zugelassene
      HIV-Protease-Inhibitoren auf dem Markt. Um die bestehenden
      Probleme der Verträglichkeit und der Resistenzbildung zu
      lösen, sind jedoch weiterhin sowohl die akademische als auch
      die industrielle Forschung gefragt, ihre Anstrengungen zur
      Entwicklung neuer, besserer HIV-Protease-Inhibitoren
      fortzusetzen. Da die HIV-Protease, mit über 600 in der PDB
      (Protein Data Bank) hinterlegten Strukturen, eins der am
      besten kristallographisch untersuchten Enzyme mit
      medi¬zinischer Relevanz darstellt, ist das strukturbasierte
      Wirkstoffdesign eine vielversprechende Methode zur
      Entwicklung neuer HIV-Protease Inhibitoren. Im Rahmen der
      vorliegenden Arbeit sollten in einem iterativen Prozess aus
      strukturbasiertem Design, Synthese und Affinitätsbestimmung
      neue Inhibitoren der HIV-Protease entwickelt und geeignete
      Vertreter für einen Zellassay identifiziert werden. Zur
      Bewertung der Inhibitoren sollte neben dem Ki die
      Ligandeneffizienz herangezogen werden, da diese eine gute
      Vergleichbarkeit zwischen Inhibitoren unterschiedlichen
      Molekulargewichts ermöglicht. Als Zielwert für eine
      arzneistoffartige (im Englischen druglike) Ver¬bin¬dung gilt
      eine Ligandeneffizienz von -0,29 kcal/mol, ein Wert der etwa
      einem 10 nM Inhibitor mit einem Molekulargewicht von ca. 500
      g/mol entspricht. Ausgehend von dem sehr potenten aber
      relativ großen HIV-Protease-Inhibitor AB111 sollten in dieser
      Arbeit kleinere Inhibitoren der HIV-Protease mit einer
      verbesserten Ligandeneffizienz strukturbasiert entworfen,
      dargestellt und auf ihre Enzymaffinität hin untersucht
      werden. Der erste Ansatz bestand in der Synthese von
      dreiarmigen Pyrrolidin-basierten-Inhibitoren, welche mit zwei
      protonierbaren Stickstoffen die katalytische Diade
      adressieren. Die Ligandeneffizienz konnte gegenüber der
      Ausgangsverbindung zwar verbessert werden, allerdings ist der
      Ki der besten Verbindung mit 0,9 µM nur als moderat zu
      bewerten. Die SAR dieser Verbindungsklasse erwies sich zudem
      als nicht additiv und auch mit Dockingexperimenten nicht
      vorhersagbar. Im zweiten Ansatz wurde mit den
      Oxalsäureamid-Bizyklen ein effizienteres Grundgerüst
      ent-wickelt, welches mit einem starren Ringsystem sowohl die
      katalytische Diade der Protease als auch deren Flap-Region
      adressiert. Bereits die nur zwei Spezifitätstaschen
      besetzenden Oxalsäureamid-Bizyklen erwiesen sich mit einer
      Ligandeneffizienz der bes¬ten Verbindung von -0,27 kcal/mol
      als ausgesprochen vielversprechend, was vermutlich zu einem
      großen Teil auf einen günstigen entropischen Beitrag des
      rigiden bizyklischen Ringsystems zur Bindungsenergie
      zurückzuführen ist. In einem weiteren Optimierungszyklus
      wurden drei- und vierarmige bizyklische Inhibitoren
      synthetisiert, um zusätzliche Spezifitätstaschen der
      HIV-Protease zu besetzen. Drei dieser Verbindungen erreichen
      oder übertreffen den Zielwert für die Ligandeneffizienz,
      bleiben aber dennoch mit dem Molekulargewicht in einem
      günstigen Bereich von unter 500 g/mol. Mit einem Ki von 7 nM
      liegt die beste der dargestellten Verbindungen zudem in einem
      sehr guten Affinitätsbereich für einen potentiellen
      Arzneistoff. Im Zellassay zeigten die ausgewählten
      bizyklischen Inhibitoren allerdings keine Aktivität, weshalb
      hier ein Prodrug-Ansatz verfolgt wurde. Carbamatprodrugs der
      Pyrrolidin-basierten bizyklischen Inhibitoren sollten
      ungeladen die Zellmembran passieren können und im Zellinneren
      durch Esterasen, unter Freisetzung des basischen Pyrrolidins,
      gespalten werden. Die im Zellassay aktivste Verbindung dieser
      Arbeit stellt ein Methylcarbamat-Prodrug eines vierarmigen
      bizyklischen Inhibitors dar, welcher eine Zellaktivität von
      42 % bei 10 µM aufweist.
description: Today, 34 million people worldwide
      are infected with the human immunodeficiency virus (HIV),
      which is the causative agent of the acquired immunodeficiency
      syndrome (AIDS). The development of numerous antiretroviral
      drugs, 26 of which are currently approved for treatment of
      HIV infection, has led to a substantial progress in the
      combat against HIV and AIDS. However, the development of
      resistance and the strong adverse effects of the marketed
      drugs still pose a challenge to drug research. HIV protease
      is a viral enzyme essential for the replication of HIV and
      thus constitutes an important target for antiretroviral
      drugs. Currently, 10 HIV protease inhibitors are available on
      the market. To solve the steadily increasing problems of
      resistance and adverse effects of these approved inhibitors,
      intense academic as well as industrial research efforts are
      required to further pursue the search for novel, improved HIV
      protease inhibitors. Since HIV protease represents with over
      600 structures deposited in the PDB (Protein Data Bank) one
      of the crystallographically best studied enzymes with medical
      relevance, structure-based drug design is a promising tool to
      find new HIV protease inhibitors. The aim of this thesis was
      to develop novel HIV protease inhibitors in an iterative
      process of structure-based design, synthesis, and affinity
      determination. The most promising compounds were additionally
      selected for a cytoprotection assay. In addition to the
      Ki-value, the ligand efficiency was used to assess the
      synthesised inhibitors, since this measure allows a good
      comparability of entities of different molecular weight. For
      a drug-like compound, the desired value for the ligand
      efficiency is -0.29 kcal/mol, which corresponds to a 10 nM
      inhibitor with a molecular weight of around 500 g/mol.
      Starting from the potent but relatively large HIV protease
      inhibitor AB111, smaller inhibitors with improved ligand
      efficiency were to be designed, synthesized, and tested for
      their enzyme affinity within the present thesis. The first
      approach was to synthesize pyrrolidine-based inhibitors
      equipped with three substituents addressing the protease’s
      specificity pockets. These inhibitors address the catalytic
      dyad of the protease with two protonable amino functions.
      Through optimisation, the ligand efficiency could be improved
      compared to the starting compound of this series; however,
      the best compound with a Ki of 0.9 µM displayed only a
      moderate enzyme affinity. Additionally, the SAR of this
      compound class proved to be non-additive and could also not
      be predicted in docking experiments. In a second approach,
      pyrrolidino-oxalamides were developed, which possess a rigid
      core to address the catalytic dyad as well as the flap region
      of the enzyme and turned out to be a much more efficient
      scaffold. Even though the inhibitors of the first series only
      address two of the four specificity pockets, they show
      largely improved ligand efficiencies, with the best compound
      displaying a value of -0.27 kcal/mol. These promising results
      are probably mainly due to the rigid core of the novel
      scaffold, which most likely leads to an advantageous entropic
      contribution to the binding affinity. The following
      optimization cycle resulted in bicyclic inhibitors decorated
      with three or four substituents addressing the remaining
      specificity pockets of HIV protease. Three of the synthesized
      compounds reached or exceeded the target value of -0.29
      kcal/mol for the ligand efficiency, displaying a molecular
      weight under 500 g/mol and a Ki in the low nM range thus
      depicting the desired properties for a putative drug.
      Unfortunately, these potent bicyclic compounds displayed no
      cellular activity. Therefore a prodrug approach was utilized
      to improve the apparently low cell permeability. Carbamate
      prodrugs of the pyrrolidine-based bicyclic compounds were
      synthesized, hence lacking the positively charged nitrogen,
      which were therefore supposed to better penetrate cell
      membranes. The carbamates were then envisaged to be cleaved
      by intracellular esterases to reestablish the active free
      amino functionality. The cellularly most active compound of
      the present thesis represents a methylcarbamate prodrug of a
      bis-benzhydryl-substituted bicyclic inhibitor with a cell
      activity of 42 % at 10 µM.