title: Highly potent, selective acylguanidine-type histamine H2 receptor agonists: synthesis and structure-activity relationships
Creators: name: Kraus, Anja
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2008
Subjects: subject: Histamin , Histaminrezeptor , Guanidin , Guanidinderivate , Agonist , Chemische Synthese , Struktur-Aktivitäts-Beziehung , Imidazol , Aminothiazol , Bivalente Liganden , GTPase-Assay , imidazole , aminothiazole , bivalent ligands , GTPase assay
subject: 540 Chemie

description: Potent and selective histamine H2 receptor (H2R) agonists are valuable pharmacological tools and might be of therapeutic value as drugs, for example in the treatment of severe congestive heart failure. At the beginning of this project arpromidine and related N-[3-(1H-imidazol-4-yl)propyl]guanidines were known as the most potent H2R agonists. Previous studies from our group have shown that the strong basicity of those compounds is considerably reduced by introduction of a carbonyl group adjacent to the guanidine moiety for improved pharmacokinetic properties while the agonistic acitivity is more or less retained. The aim of this thesis was to synthesize and elaborate the structure-activity relationships, in particular to improve the potency and selectivity of acylguanidine-type H2R agonists. Therefore, numerous NG-acylated [3-(1H-imidazol-4-yl)propyl]guanidines and [3-(2-amino-4-methylthiazol-5-yl)propyl]guanidines with different alkanoyl substituents including �bivalent ligands� were prepared and pharmacologically characterized (cooperation with Prof. Dr. S. Elz and Prof. Dr. R. Seifert, University of Regensburg). NG-Acylated [3-(1H-imidazol-4-yl)propyl]guanidines. The synthesized compounds were investigated for agonism on the guinea pig (gp) right atrium and in a steady-state GTPase activity assay. A methyl or ethyl-branched three-membered alkanoyl chain between the guanidine moiety and an aromatic or alicyclic ring system favours high potency at the gpH2R. By contrast, the human (h) H2R prefers/tolerates compounds with longer and more ramified NG-alkanoyl chains, presumably due to a more flexible binding pocket. Polar substituents strongly shifted the species selectivity towards gpH2R, whereas aliphatic substituents were preferred by the hH2R. In accordance with previous data of alkyl- and acylguanidines, most compounds proved to be more potent and efficacious at the gpH2R compared to the hH2R. Strikingly, also compounds with similar or even slightly higher potency and efficacy at the hH2R were found, indicating that, in principle, potent and selective compounds for the human receptor can be developed. For receptor selectivity, representative compounds were tested at hH1R (calcium assay on U-373 MG cells) as well as on hH3R and hH4R (GTPase assays on Sf9 cells). On human U-373 cells only weak antagonistic activity was found. Surprisingly, several NG-acylated imidazolylpropylguanidines turned out to be potent agonists on the hH3R and hH4R in the GTPase assay (pEC50 values around 8-9). NG-Acylated [3-(2-amino-4-methylthiazol-5-yl)propyl]guanidines. The bioisosteric replacement of the imidazole against a 2-amino-4-methylthiazole ring led to equipotent or even more potent partial H2R agonists and turned out to be key to obtain highly H2R-selective agonists, devoid of activity on H3R and H4R. In contrast to the H2R agonist amthamine (2-amino-4-methylthiazol-5-ethanamine), the 4-methyl group in the thiazole ring of acylguanidine-type H2R agonists did enhance the agonistic potency neither in the GTPase assay nor at the gp right atrium. �Bivalent� H2R agonists. According to the �bivalent ligand approach�, symmetric compounds were synthesized by connecting two hetarylpropylguanidine moieties by NG-acylation with alkanedioic acids of different length. Most strikingly, the combination of two 2-amino-4-methylthiazol-5-ylpropylguanidine moieties with an octanedioyl spacer resulted in the most potent agonist at the gp atrium known so far (pEC50 9.45; 3000-fold potency of histamine). This result is in good agreement with the data from the GTPase assay. Elongation of the spacer up to a length predicted to be optimal for binding to receptor dimers (22-27 Å) resulted in a dramatic decrease or total loss of H2R agonism. The exceptionally high potency of the most prominent bivalent H2R agonists can be explained by binding to an additional (allosteric?) binding site at the same receptor molecule rather than by �bridging� of a receptor dimer because of an insufficient spacer length. Further investigations of the bivalent ligands on mutant H2R-GsaS fusion proteins (transmembrane domains, e2 loop) confirmed the key role of the non-conserved Tyr-17 and Asp-271 in TM1 and TM7 in the gpH2R for species-selective H2R activation and suggest that the second extracellular loop does not participate in direct ligand-receptor interactions. In conclusion, numerous potent histamine H2R agonists were identified among the synthesized NG-acylated hetarylpropylguanidines. A major problem, selectivity for H2R over H3R and H4R, was solved by bioisosteric replacement of the imidazol-4-yl with a 2-amino-4-methylthiazol-5-yl ring. The most potent and selective H2R agonists were obtained according to the bivalent ligand approach by combining two guanidine-type H2R agonist pharmacophores by alkanedioic acids. The results of this thesis represent a promising step towards the development of guanidine-type H2R agonists for in vivo investigations.
description: Potente und selektive Histamin H2-Rezeptor (H2R) Agonisten sind wertvolle pharmakologische Werkzeuge und sie könnten therapeutische Verwendung finden, z. B. zur Therapie der Herzinsuffizienz. Zu Beginn des Projekts waren Arpromidin und entsprechende N-[3-(1H-Imidazol-4-yl)propyl]guanidine als die potentesten H2R-Agonisten bekannt. Vorausgegangene Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass mit Einführung einer Carbonylgruppe in Nachbarschaft zur Guanidin-Einheit die agonistische Aktivität bei erheblicher geringerer Basizität erhalten bleibt. Ziel dieser Arbeit war, potente und selektive H2R Agonisten zu synthetisieren und die Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu erarbeiten. Hierfür wurden zahlreiche NG-acylierte [3-(1H-Imidazol-4-yl)propyl]guanidine und [3-(2-Amino-4-methylthiazol-5-yl)propyl]guanidine mit unterschiedlichen Alkanoyl-Substituenten sowie �bivalente Liganden� hergestellt und pharmakologisch charakterisiert (Zusammenarbeit mit Prof. Dr. S. Elz und Prof. Dr. R. Seifert, Universität Regensburg). NG-Acylierte [3-(1H-Imidazol-4-yl)propyl]guanidine. Die synthetisierten Verbindungen wurden am spontan schlagenden, isolierten Meerschweinchen (gp) Atrium und im GTPase-Assay auf Agonismus getestet. Eine hohe Potenz am gpH2R wird im Allgemeinen durch eine methyl- oder ethylverzweigte, dreigliedrige Alkanoyl-Kette zwischen dem Guanidin und dem aromatischen/alicyclischen Ringsystem erreicht. Im Gegensatz dazu toleriert der humane (h) H2R, möglicherweise auf Grund einer flexibleren Bindungstasche, Verbindungen mit längeren und stärker verzweigten NG-acylierten Alkanoyl Ketten. Polare Substituenten verschieben die Spezies-Selektivität auf die Seite des gpH2R, während aliphatische Substituenten vom hH2R bevorzugt werden. Übereinstimmend mit früheren Daten weisen Alkyl- und Acylguanidine am gpH2R höhere Potenzen und intrinsische Aktivitäten als am hH2R auf. Überraschenderweise wurden auch Verbindungen mit ähnlichen oder sogar etwas höheren Potenzen am hH2R gefunden. Somit scheint es im Prinzip möglich, potente und selektive Verbindungen für den humanen Rezeptor zu entwickeln. Zur Untersuchung der Rezeptorselektivität wurden ausgewählte Substanzen sowohl am hH1R (Calcium-Assay an U-373 MG Zellen) als auch an hH3R und hH4R (GTPase-Assay an Sf9 Zellen) getestet. Am H1R wurde lediglich ein schwacher Antagonismus gefunden. Einzelne NG-acylierte Imidazolylpropylguanidine zeichnen sich als potente Agonisten am hH3R und hH4R im GTPase-Assay aus (pEC50-Werte ca. 8-9). NG-Acylierte [3-(2-Amino-4-methylthiazol-5-yl)propyl]guanidine. Der bioisostere Austausch des Imidazolrings gegen einen 2-Amino-4-methylthiazolring führte zu äquipotenten oder sogar potenteren partiellen H2R Agonisten und erwies sich als ein entscheidender Schritt, um hochselektive H2R Agonisten ohne H3R und H4R Aktivität zu erhalten. Im Gegensatz zum H2R Agonisten Amthamin (2-Amino-4-methylthiazol-5-ethanamin) erhöhte die 4-Methylgruppe im Thiazolring die agonistische Aktivität weder am gp-Atrium noch im GTPase-Assay. �Bivalente� H2R Agonisten. Entsprechend dem �bivalent ligand approach� wurden symmetrische Verbindungen synthetisiert, in denen zwei Hetarylpropylguanidine mit Alkandisäuren verschiedener Kettenlängen über NG-Acylierung verbunden sind. Überraschenderweise führt die Kombination zweier 2-Amino-4-methylthiazol-5-ylpropylguanidine mit einem Octandioylspacer zu dem potentesten, bislang bekannten Agonisten am spontan schlagenden gp-Atrium (pEC50 9.45; 3000-fache Histaminstärke). Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem GTPase-Assay überein. Verlängerung der Kette bis zur vorhergesagten optimalen Spacerlänge zur Verbrückung von Rezeptordimeren (22-27 Å) führt zu einer dramatischen Abnahme bis hin zum Verlust des H2R Agonismus. Die ungewöhnlich hohen Potenzen der besten H2R Agonisten lassen sich auf Grund der zu kurzen Kettenlänge eher durch eine Adressierung einer zweiten (allosterischen?) Bindungsstelle des gleichen Rezeptormoleküls erklären, als durch die Verbrückung eines Rezeptordimers. Weitere Untersuchungen an Mutanten von H2R-GsaS Fusionsproteinen (Transmembrandomäne, zweite extrazelluläre Schleife) bestätigten die Schlüsselrolle des Tyr-17 und Asp-271 in TM1 und TM7 an der Spezies-selektiven H2R Aktivierung und schließen eine Beteiligung der Aminosäuren in der zweiten extrazellulären Schleife an einer Ligand-Rezeptor Wechselwirkung aus. Insgesamt wurde unter den synthetisierten NG-acylierten Hetarylpropylguanidinen eine große Anzahl potenter H2R identifiziert. Die H2R Selektivität (gegenüber H3R und H4R) wurde durch den bioisosteren Austausch des Imidazolrings gegen einen 2-Amino-4-methylthiazolring wesentlich erhöht. Die potentesten (bis zu 3000-fache Histaminstärke) und selektivsten H2R Agonisten fanden sich in der Reihe der bivalenten Liganden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein vielversprechender Schritt in Richtung zur Entwicklung von H2R Agonisten des Guanidin-Typs für In-vivo-Untersuchungen.