title: Design and Synthesis of new Scaffolds for the Inhibition of Aspartic Proteases of the A1 and A2 families
title: Design und Synthese neuartiger Grundstrukturen zur Inhibition von Aspartat-Proteasen der Familien A1 und A2
Creators: name: Linde, Kerstin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Inhibitordesign
Hydroxylamine
Mitsunobu-Staudinger-Reaktion
Mitsunobu-Staudinger-reaction
inhibitor-design
Aspartat-Protease
piperidine
hydroxylamines
aspartic-protease
Naturwissenschaften
Piperidine

description: After discovering that the
      HI-virus is responsible for AIDS, over 20 different drugs
      were approved for therapeutic use against this disease.
      Therefore, there are more drugs available against AIDS than
      against all other virus diseases. The first HIV-protease
      inhibitor, a member of the A2 family of aspartic proteases,
      became available in HAART (Highly Active Antiretroviral
      Therapy) in 1995 and resulted in a great increase in quality
      of life of HIV-infected patients. Nonetheless, HAART achieves
      less than optimal results in many cases because poor
      bioavailability and toxicity result in serious side effects
      and resistance of the HI-virus develops fast. So it remains
      of great interest to develop new inhibitor classes that are
      based on non-peptidic scaffolds and feature different binding
      modes. Members of the A1 family of aspartic proteases are
      promising drug targets, too. However, until now only the
      renin inhibitor Aliskiren received approval for therapeutic
      use. Despite great efforts to develop inhibitors against
      BACE1 or Cathepsin D, no active substance could reach the
      market yet. This thesis describes how novel classes of
      substances were designed for the inhibition of the A1 and A2
      families of aspartic proteases. Endothiapepsin was chosen as
      a representative of the A1 family and HIV-protease as a
      representative of the A2 family. Five different inhibitor
      classes based on new scaffolds were computer-based designed,
      synthesized and analyzed with respect to their affinities to
      the selected enzymes. Cyclic urea compounds,
      piperidine-diesters, three-armed piperidines, open-chained
      primary amines and hydroxylamines were developed. It was
      possible to optimize at least one inhibitor of each class,
      except for the cyclic urea compounds, to reach submircomolar
      affinity ranges. The cyclic urea inhibitor class achieved low
      micromolar affinities against endothiapepsin. This is a
      highly satisfying result, considering that these compounds
      are comparatively small and offer only two substituents to
      address the specificity pockets. The piperidine-diesters were
      found to be promising scaffolds for the inhibition of A1
      family aspartic-proteases, too. Two of the compounds
      developed in this series showed affinities of about 750 nM
      against endothiapepsin, although there were again only two
      residues to occupy the specificity pockets. It seems feasible
      to further increase these affinities by selected optimization
      steps. No significant improvement could be observed for the
      three-armed piperidine derivatives. In a series of eleven
      synthesized compounds, nine achieved affinities at least in
      the single-digit micromolar range against endothiapepsin. For
      HIV-protease, the most active compound is an
      indazol-derivative with 14 M. The open-chained, primary
      amines showed very good affinities against endothiapepsin. In
      this series, the most potent inhibitor shows a Ki-value of
      550 nM against endothiapepsin. The other compounds showed
      good to moderate affinities as well, whereas the affinities
      against HIV-protease were considerably lower. The four
      substance classes mentioned before showed significantly
      better affinities against endothiapepsin than against
      HIV-protease. In contrast, the hydroxylamine-class represents
      a new scaffold that showed better affinities to HIV-protease.
      It is therefore the most promising class for the design of
      HIV-protease-inhibitors. By variation of the substitution
      pattern, it was possible to identify two submicromolar
      inhibitors against the HIV-protease in this series.
      Trifluormethyl-derivative achieved an affinity of 140 nM,
      which is a very good result for an initial series with no
      previous knowledge about the binding mode. A reproducible
      structure-activity relationship could be determined for the
      hydroxylamine-derivatives, which allows a prediction about a
      possible binding mode. As part of this work, a one-pot method
      to convert alcohols into the corresponding amines in a
      Mitsunobu-Staudinger-reaction using DPPA as an azide source
      avoiding the isolation of the azide intermediate was
      developed. In addition, a study concerning the usage of the
      detergent Trition X-100 in fluorescence-based binding-assays
      was conducted. Depending on concentration, Triton X-100 can
      have negative effects on assay results.
description: Nach der Endeckung des HI-Virus als
      Auslöser von AIDS sind mehr als 20 verschiedene Präparate
      gegen diese Erkrankung in die klinische Praxis eingeführt
      worden. Damit sind gegen AIDS mehr Virostatika erhältlich als
      gegen alle anderen Viruserkrankungen gemeinsam. 1995 wurde
      der erste HIV Protease Inhibitor in der HAART (engl. Highly
      Active Antiretroviral Therapy) eingesetzt, und es gelang,
      sowohl die Lebensqualität als auch die Lebenserwartung der
      Patienten unter dieser Therapie deutlich zu erhöhen. Trotz
      des großen Erfolges von HAART ist es unverzichtbar, dass
      sowohl akademische Institutionen als auch die pharmazeutische
      Industrie die Bemühungen fortsetzen, um potentere und
      insbesondere im Hinblick auf den Bindungsmodus andersartige
      Wirkstoffe zu entwickeln. Zum einen stellt die
      Resistenzbildung gegen die aktuell verfügbaren Medikamente
      ein gravierendes Problem dar. Zum anderen erfordern die
      schlechten Bioverfügbarkeiten und hohen Toxizitäten der
      zugelassenen Wirkstoffe weitere Verbesserungen und machen die
      Forschung auf diesem Gebiet weiterhin unabdingbar. Auch unter
      den Mitgliedern der Familie A1 gibt es vielversprechende
      Zielenzyme, deren Bedarf nach neuartigen Leitstrukturen noch
      nicht gedeckt ist. Das einzige zugelassene Medikament für die
      Inhibition des Enzyms Renin ist Aliskiren, für Cathepsin D
      und für BACE1 hat es trotz intensiver Forschungsbemühungen
      noch kein Wirkstoff bis zur Markteinführung geschafft. In der
      vorliegenden Arbeit wurden neuartige Substanzklassen für die
      Inhibition der Aspartat-Proteasefamilien A1 und A2
      identifiziert. Als Modellenzyme wurden Endothiapepsin als ein
      Vertreter der Familie A1 und die HIV-Protease als Vertreter
      der Familie A2 ausgewählt. Mit zyklischen Harnstoffen,
      Piperidin-Diestern, dreiarmigen Piperidinen, offenkettigen
      primären Aminen und Hydroxylaminen wurden fünf
      unterschiedliche Inhibitorklassen Computer-basiert
      entwickelt, synthetisiert und bezüglich ihrer Affinität gegen
      Endothiapepsin und die HIV-Protease analysiert. Dabei ist es
      gelungen, für jede Substanzklasse, mit Ausnahme der
      zyklischen Harnstoffe, mindestens einen Inhibitor bis in den
      submikromolaren Affinitätsbereich hinein zu optimieren. Die
      Inhibitorklasse der zyklischen Harnstoffe konnte gegen
      Endothiapepsin bis in den niedrigen mikromolaren Bereich
      verbessert werden, was in Anbetracht der geringen Größe der
      Verbindung und der Dekoration mit nur zwei Substituenten ein
      sehr gutes Ergebnis darstellt. Mit den Piperidin-Diestern
      konnte ebenfalls ein vielversprechendes Grundgerüst zur
      Hemmung von Aspartat-Proteasen der Familie A1 entwickelt
      werden. Zwei Verbindungen dieser Serie zeigen Affinitäten
      gegen Endothiapepsin von 750 nM, obwohl auch hier nur zwei
      Substituenten für die Besetzung der Spezifitätstaschen zur
      Verfügung stehen. Die Affinitäten dieser Verbindungsklasse
      können sicherlich durch gezielte Optimierung weiter erhöht
      werden. In der Substanzklasse der dreiarmigen Piperidine
      konnte keine weitere Verbesserung erreicht werden. In der
      Serie von elf synthetisierten Inhibitoren lagen dabei neun
      mindestens im einstellig mikromolaren Aktivitätsbereich. Auch
      für die HIV-Protease konnte in dieser Serie die Affinität für
      das Indazol-Derivat auf 14 M verbessert werden. In der
      Substanzklasse der offenkettigen, primären Amine konnte eine
      Verbindung mit 500 nM gegenüber Endothiapepsin ein potenter
      Inhibitor dargestellt werden. Auch die anderen Inhibitoren
      dieser Serie zeigen moderate bis gute Affinitäten gegen
      dieses Enzym, wohingegen die Affinitäten gegen die
      HIV-Protease deutlich schlechter sind und im zweistellig
      mikromolaren Bereich liegen. In den bisher vorgestellten vier
      Verbindungsklassen waren die Inhibitionswerte gegen
      Endothiapepsin denen der HIV-Protease deutlich überlegen.
      Umgekehrt ist dies bei der Inhibitorklasse der Hydroxylamine.
      Durch Variation des Substitutionsmusters konnten innerhalb
      dieser Substanzklasse zwei Verbindungen gegen die
      HIV-Protease nanomolare Aktivitäten erreichen. Das
      Triflourmethyl-Derivat zeigt einen Ki von 140 nM, was für
      eine initiale Serie ohne Kenntnisse über den Bindungsmodus
      ein ausgesprochen gutes Ergebnis darstellt. Bei den
      Hydroxylamin-Derivaten konnte innerhalb der Serie eine klare
      Struktur-Wirkungsbeziehung aufgestellt werden, durch die
      fundierte Annahmen über den Bindungsmodus möglich sind. Somit
      stellen die Hydroxylamine die vielversprechendste
      Substanzklasse dieser Arbeit für die Weiterentwicklung eines
      hoch potenten Inhibitors gegen die HIV-Protease dar. Während
      dieser Arbeit wurde eine Eintopf-Methode zur Darstellung von
      Aminen aus Alkoholen entwickelt sowie eingehende
      Untersuchungen mit dem Detergenz Triton X-100 und dessen
      Einfluss auf die Assay Ergebnisse durchgeführt.