title: Synthesis and structure-activity relationships of NG-acylated arylalkylguanidines and related compounds as histamine receptor ligands: searching for selective H4R agonists
Creators: name: Igel, Patrick
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2009
Subjects: subject: Histaminrezeptor , Wirkstoff-Rezeptor-Bindung , H3-Rezeptor , Agonist , Guanidinderivate , Aralkylgruppe , Struktur-Aktivitäts-Beziehung , Histamin , H4-Rezeptor , H2-Rezeptor , Acylguanidin , Cyanoguanidin , Radioligand , H4-receptor , H2-receptor , acylguanidine , cyanoguanidine , radioligand
subject: 540 Chemie

description: In previous studies NG-acylated imidazolylpropylguanidines, originally developed as histamine H2 receptor (H2R) agonists with reduced basicity relative to guanidine-type H2R agonists, turned out to be also highly potent at the histamine H3 receptor (H3R) and histamine H4 receptor (H4R). Particularly at the H4R, the compounds showed high agonistic efficacies. This thesis aimed at the design, synthesis and pharmacological characterization of novel acylguanidine-type compounds and analogs to evaluate structure-activity relationships (SAR) at the histamine receptors (HRs) and to obtain HR subtype selective ligands. As the biological role of the recently discovered H4R is far from being understood, a major interest was the development of potent and selective H4R agonists as pharmacological tools. The prepared compounds were investigated for their pharmacological activities at the human (h) H1R, H2R, H3R and H4R in steady-state GTPase assays, employing membrane preparations of Sf9 insect cells expressing the distinct HR subtype. In addition, selected compounds were evaluated at the guinea pig (gp) ileum for H1R activity and at the guinea pig right atrium for H2R activity (in cooperation with Prof. Seifert (Medical School Hannover) and Prof. Elz (University of Regensburg)). In the first series of compounds the basic central group of the NG-acylated imidazolylpropylguanidines was replaced with a non-basic cyanoguanidine moiety resulting in moderate partial agonists at the hH4R. As efforts to improve potency and efficacy by modifying the second alkyl substituent besides the imidazolylpropyl group were unsuccessful, the focus was turned on the carbon chain connecting the imidazole ring and the cyanoguanidine group. Elongation of the spacer length by one methylene group was the key step toward potent and selective hH4R agonists. Out of these cyanoguanidines, 2-cyano-1-[4-(1H-imidazol-4-yl)butyl]-3-[(2-phenylthio)ethyl]guanidine (UR-PI376) was the most potent hH4R agonist (hH4R: EC50 = 34 nM, Emax = 0.93). Additionally, UR-PI376 showed a more than 25-fold selectivity over the hH3R in the GTPase assay and negligible activities at the hH1R and hH2R. In contrast to other reported selective H4R agonists, UR-PI376 exerted no agonistic activity at the other HR subtypes which makes this compound a promising pharmacological tool for studying the biological function of the hH4R. In addition, the carbamoylguanidine-type compound 2-carbamoyl-1-[2-(1H-imidazol-4-yl)ethyl]-3-(3-phenylpropyl)guanidine (UR-PI97) was identified as highly potent hH3R inverse agonist (KB = 3.8 nM, Emax = -0.97) showing a more than 300-fold selectivity over the hH4R. The next series was focused on the imidazolylpropylguanidine portion of the acylguanidines. Minor structural modifications of this group essentially changed the pharmacological activities at the HR subtypes. For example, all performed modifications abolished hH4R agonistic activity, whereas introduction of a methyl group in position 5 of the imidazole ring remarkably improved efficacy at the hH3R. The study showed the imidazolylalkylguanidine part to be a promising structural motif for the development of HR ligands with new pharmacological profiles. Substitution of the 4-imidazolyl ring with isomers and other heterocycles was critical for the activity at all HRs. The most promising compounds in this series were the 1H-1,2,4-triazol-3-yl analogs that showed (partial) agonistic activity at the hH2R and gpH2R and negligible activities at the other HR subtypes. This suggests the triazole ring to be promising bioisosteric imidazole replacement for the generation of new selective H2R agonists. Attaching small NG-alkanoyl residues to the imidazolylpropylguanidine moiety turned out to be favorable for hH4R activity. Potent (partial) hH4R agonists with up to 1000- and 100-fold selectivity relative to hH1R and hH2R, respectively, and only low efficacy at the hH3R were obtained. Due to the high potency of N1-[3-(1H-imidazol-4-yl)propyl]-N2-propionylguanidine at the hH3R and hH4R, this ligand was prepared as tritiated radioligand ([3H]UR-PI294). This readily available new radioligand specifically bound to the hH3R and hH4R with high affinities (KD (hH3R) = 1.1 nM, KD (hH4R) = 5.1 nM) and proved to be a valuable pharmacological tool for the determination of binding constants of H3R and H4R ligands. In conclusion, the structural modifications of NG-acylated imidazolylpropylguanidines yielded valuable information about SAR and structure-selectivity relationships and revealed new promising pharmacological tools for HR. The imidazolylbutylcyanoguanidines represent a new class of potent and selective hH4R agonists. Moreover, the carbamoylguanidine UR-PI97 was identified as a highly potent and selective hH3R inverse agonist. The synthesized NG-alkanoyl imidazolylpropylguanidines are among the most potent hH4R agonists and paved the way to the new high affinity hH3R and hH4R radioligand [3H]UR PI294.
description: In vorausgegangenen Untersuchungen wurden in einer Serie von NG-acylierten Imidazolylpropylguanidinen, die ursprünglich als Histamin H2 Rezeptor (H2R) Agonisten mit reduzierter Basizität ausgehend von H2R Agonisten des Guanidin-Typs entwickelten wurden, hochpotente Histamin H3 Rezeptor (H3R) und Histamin H4 Rezeptor (H4R) Liganden identifiziert. Diese Verbindungen zeigten insbesondere am H4R Rezeptor hohe intrinsische Aktivitäten. Zielsetzung dieser Arbeit waren der Entwurf, die Synthese und pharmakologische Charakterisierung neuer Verbindungen vom Acylguanidin-Typ und analoger Substanzen, um Struktur-Wirkungsbeziehungen an den verschiedenen Histamin Rezeptoren (HR) zu untersuchen und Subtyp-selektive Liganden zu erhalten. Da bislang wenig über die biologische Funktion des H4R bekannt ist, lag das Hauptinteresse in der Entwicklung von potenten und selektiven H4R Agonisten als pharmakologische Werkzeuge. Die pharmakologischen Aktivitäten der Verbindungen wurden an den humanen (h) H1R, H2R, H3R und H4R untersucht. Hierzu wurden GTPase Assays an Membranpräpartionen von Sf9 Insektenzellen, die den jeweiligen HR-Subtyp exprimieren, verwendet. Zusätzlich wurden die H1R und H2R Aktivitäten ausgewählter Verbindungen am Meerschweinchen (gp)-Ileum bzw. Atrium untersucht. (in Zusammenarbeit mit Prof. Seifert, Medizinische Hochschule Hannover, und Prof. Elz, Universität Regensburg). Der Austausch der basischen Acylguanidin-Gruppe durch eine nicht-basische Cyanoguanidin-Gruppe führte zu moderaten Partialagonisten am hH4R. Da die Potenzen und Effektivitäten der Verbindungen durch Veränderungen des (neben der Imidazolylpropyl-Gruppe) zweiten Substituenten an der Cyanoguanidin-Gruppe nicht verbessert werden konnten, wurde die Kettenlänge zwischen dem Imidazolring und der Cyanoguanidin-Gruppe modifiziert. Durch die Verlängerung der Kette um eine Methylengruppe konnte ein Durchbruch im Hinblick auf potente und selektive H4R Agonisten erreicht werden. Unter diesen H4R Agonisten des Cyanoguanidin-Typs stellte sich 2-Cyano-1-[4-(1H-imidazol-4-yl)butyl]-3-[(2-phenylthio)ethyl]guanidin (UR-PI376) als der potenteste heraus (hH4R: EC50 = 34 nM, Emax = 0.93). Außerdem weist UR-PI376 im GTPase Assay eine mehr als 25-fache Selektivität gegenüber dem hH3R, sowie vernachlässigbare Aktivitäten an den hH1R und hH2R auf. Im Gegensatz zu anderen selektiven H4R Agonisten, besitzt UR-PI376 keine agonistische Aktivität an den H1R, H2R und H3R. Weiterhin wurde das Carbamoylguanidin 2-Carbamoyl-1-[2-(1H-imidazol-4-yl)ethyl]-3-(3-phenylpropyl)guanidin (UR-PI97) als hochpotenter und selektiver inverser Agonist am hH3R identifiziert (KB = 3.8 nM, Emax = - 0.97). Kleinere strukturelle Modifikationen der Imidazolylpropylguanidin-Gruppe in den Acylguanidinen veränderten drastisch die pharmakologischen Aktivitäten der Substanzen an den HR Subtypen. So bewirkten beispielsweise alle Änderungen einen Verlust der agonistischen Aktivität am hH4R, wohingegen die Einführung einer Methylgruppe in Position 5 des Imidazolringes zu einer bemerkenswerten Zunahme der Effektivität am hH3R führte. Die Imidazolylalkylguanidin-Gruppe stellt damit ein aussichtsreiches strukturelles Motiv für die Entwicklung von HR Liganden mit neuen pharmakologischen Profilen dar. Der Ersatz des 4-Imidazolyl-Rings durch Isomere oder andere Heterocyclen erwies sich als kritisch für die Aktivität an den HR. Am aussichtsreichsten erwiesen sich die 1H-1,2,4-Triazol-3-yl-Derivate, die (Partial)agonismus an hH2R und gpH2R und gleichzeitig keine nennenswerten Aktivitäten an anderen HR Subtypen zeigten. Der Triazolring ist somit ein mögliches Bioisoster für den Imidazolring bei der Entwicklung von neuen selektiven H2R Agonisten. Die NG-Acylierung der Imidazolylpropylguanidin-Gruppe mit kleinen Alkanoylresten erwies sich als günstig für die Aktivität am hH4R. Es konnten potente (Partial)agonisten am hH4R mit bis zu 1000- bzw. 100-facher Selektivität gegenüber hH1R und hH2R und geringer Effektivität am hH3R erhalten werden. Aufgrund der hohen Potenz von N1-[3-(1H-Imidazol-4-yl)propyl]-N2-propionylguanidin an den hH3R und hH4R wurde dieser Ligand auch in tritiierter Form hergestellt ([3H]UR-PI294). Dieser neue Radioligand bindet hochaffin an die hH3R und hH4R (KD = 1.1 nM bzw. KD = 5.1 nM) und ist ein geeignetes pharmakologisches Werkzeug für die Bestimmung von Dissoziationskonstanten von H3R und H4R Liganden. Durch systematische Modifikation der NG-acylierten Imidazolylpropylguanidine wurden wertvolle Erkenntnisse über Struktur-Wirkungsbeziehungen sowie neue vielversprechende pharmakologische Werkzeuge erhalten. Die Imidazolylbutylcyanoguanidine repräsentieren eine neue Klasse potenter und selektiver hH4R Agonisten und das Carbamoylguanidin UR-PI97 wurde als hochpotenter und selektiver inverser Agonist am hH3R identifiziert. Aus den NG-alkanoylierten Imidazolylpropylguanidine, die zu den potentesten bekannten hH4R Agonisten gehören, wurde ein neuer, hochaffiner Radioligand für hH3R und hH4R entwickelt.