title: Design und Synthese von enantiomerenreinen Organometall-Kinaseinhibitoren als potentielle Chemotherapeutika
title: Design und Synthese von enantiomerenreinen Organometall-Kinaseinhibitoren als potentielle Chemotherapeutika
title: Design and Synthesis of Enantiopure Organometallic Kinase Inhibitors as Potential Chemotherapeutics
Creators: name: Rajaratnam, Rajathees
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Enantiopure
Übergangsmetall
Kinase
Enantiomerenrein
Chemistry and allied sciences
Chemie
Oktaeder
Inhibitor, Transition Metal
Octahedron
Inhibitor, Übergangsmetall
Kinasen

description: Die Erkundung des
      dreidimensionalen Raumes anhand der Strukturen, welche durch
      die oktaedrische Koordinationssphäre ermöglicht werden, führt
      zu Isomeren, deren physiko-chemische Eigenschaften für die
      Forschungsfelder der Katalyse, Materialwissenschaften und
      Lebenswissenschaften von besonderem Interesse sind. Der
      Arbeitskreis MEGGERS hat hierzu eine Vielzahl von
      unterschiedlichen Übergangsmetallen als Strukturtemplate
      etabliert, um Zugang zu hochpotenten, selektiven sowie
      strukturell hochdiversifizierten Kinaseinhibitoren zu
      erhalten. Im Zuge dieser Anstrengungen, wurden
      Kinaseinhibitoren entwickelt, deren anitcancerogene Wirkung
      mehrfach, sowohl in vitro als auch in vivo, belegt werden
      konnten. Hierbei führten die Ambitionen, Metalle als
      Strukturtemplate zu verwenden, über anfängliche Halbsandwich
      Komplexe zu hochdiversifizierten oktaedrischen Komplexen. In
      der vorliegenden Arbeit sollen insbesondere die
      Herausforderungen und die Umsetzung der selektiven Synthese
      von angestrebten Enantiomeren anhand von mehrzähnigen
      symmetrischen Liganden sowie anhand von mehrzähnigen chiralen
      Liganden verdeutlicht werden. Als Beispiel dient hierzu die
      Betrachtung der chemischen und biologischen Eigenschaften
      eines auf N methyl-1,4,7-trithiacyclodecan-9-amin basierenden
      Ruthenium(II) Komplexes, im Kontext der S6 Kinase 1 (S6K1)
      Inhibierung. Eine gestörte Aktivierung von S6K1 wird mit
      zahlreichen Erkrankungen wie z.B.: Diabetes, Krebs und
      Alterungsprozessen in Verbindung gebracht. Die vorgestellten
      ATP kompetitiven metallbasierten Inhibitoren sind von dem
      Pan-Kinaseinhibitor Staurosporin abgeleitet, doch inhibieren
      spezifisch S6K1. Die Ergebnisse zeigen, dass die
      Ruthenium(II) basierten Verbindungen S6K1 mit einem IC50 Wert
      im nanomolaren Bereich inhibieren bei einer ATP Konzentration
      von 100 µM ATP. Zusätzlich konnte anhand der
      Kristallstrukturen von Staurosporin in S6K1 und von zwei
      Metall-komplexen in S6K1, die Bildung von S6K1 spezifischen
      Kontakten, welche im Falle der metallbasierten Inhibitoren im
      Vergleich zu Staurosporine zu Änderungen in der p Schleife,
      der aC Helix und der aD Helix führen, gezeigt werden. In
      vitro Untersuchungen zeigten eine inhibierte S6K
      Phosphorylierung in Hefe Zellen. Die Gesamtheit der Studien
      zeigen, dass potente, selektive sowie zellpermeable
      metallbasierte Inhibitoren eine Grundstruktur für die
      Entwicklung von potentiellen Chemotherapeutika bereit halten.
      Zu beachten ist, dass die hierbei gezeigten Komplexe in
      racemischer Form vorliegen. Um diese Verbindungen in der
      Therapie einsetzen zu können, müssen somit auch die
      pharmakologischen und die toxikologischen Eigenschaften
      beider Isomere charakterisiert und miteinander verglichen
      werden. In diesem Zusammenhang ist die asymmetrische
      Darstellung eines gewünschten Isomers eines metallbasierten
      Inhibitors sehr erstrebenswert. Daher stellt die Kontrolle
      der relativen und absoluten metallzentrierten Stereochemie
      eine Schlüsselaufgabe zur Realisierung dieses Zieles dar. Die
      Anwendung von prolinbasierten dreizähnigen Liganden zur
      entschiedenen Beeinflussung der Koordinationsphäre von
      Rhodium(III) Komplexen wird daraufhin als mögliche Lösung
      dieser Herausforderung diskutiert. Die spiegelbildliche
      Beziehung der synthetisierten Enantiomere und die
      Unterschiede zu den entsprechenden Diastereomeren werden
      durchleuchtet. Zudem wird die Anwendung des etablierten
      Pyridocarbazole Pharmakophorliganden als Teil des
      metallbasierten Komplexes zur Darstellung von
      Kinaseinhibitoren demonstriert. Darüber hinaus, wird die
      enorme Bedeutung der relativen Stereochemie am Metallzentrum
      bei der Wechselwirkung mit chiralen Umgebungen wie
      Biomoleküle durch Kinase Profiling Untersuchungen und
      kompetitiven Inhibitionsstudien verdeutlicht. Die gesammelten
      Daten bestätigen, dass die unterschiedlichen Rhodium(III)
      Isomere sich gänzlich in Ihrer Selektivität und Spezifität
      unterscheiden, trotz eines eindeutig gemeinsamen Ursprungs.
      Die erfolgreichen Arbeiten mit der Verwendung von Prolin als
      Gerüstbaustein inspirierte folgerichtig zu dem Einsatz
      weiterer Aminosäuren im Ligandendesign. Hierzu wurde eine
      vielseitige Auswahl an Aminosäuren als Ausgangspunkt für die
      Ligandensynthese erarbeitet. Die Arbeiten mit primären
      Aminosäuren zeigten deren Potential zur Eröffnung von
      hochdiversifizierten oktaedrischen Komplexen. Als
      hochfunktionalisierte Gerüstbausteine ermöglichen sie die
      Positionierung von funktionellen Gruppen in bestimmte
      Raumrichtungen einer Enzymtasche, welche durch die Chiralität
      am Metall vorgegeben wird. Jedoch wird dieses ambitionierte
      Ziel durch synthetische Schwierigkeiten bei der Koordination
      von aminosäurenbasierten Liganden, begründet in sterischen
      Effekten und den reduzierten Ausbeuten, limitiert.
      Nichtsdestotrotz, eröffnen die erhaltenen Daten wichtige
      Erkenntnisse für das zukünftige Ligandendesign.
description: The exploration of the structural
      scope of the octahedral coordination mode and investigations
      of defined structural isomers regarding their
      physico-chemical properties are of valuable interest for
      applications in the field of catalysis, materials sciences,
      and life sciences. The MEGGERS group established a variety of
      different transition metals as structural templates to gain
      access to highly potent and selective kinase inhibitors.
      During this effort, the effectiveness of metal complexes as
      kinase inhibitors with potential anticancer properties has
      repeatedly been proven in vitro as well as in vivo. The
      ambition to establish metals as structural templates led from
      initial half sandwich complexes to highly sophisticated
      octahedral complexes. In the current thesis, the challenge to
      selectively synthesise a desired enantiomer is presented
      highlighting the application of symmetric polydentate ligands
      and chiral polydentate ligands. As a first example, regarding
      the chemical and biological properties, an
      N-methyl-1,4,7-trithiacyclodecan-9-amine based ruthenium(II)
      complex, in context of S6 kinase 1 (S6K1) inhibition, is
      presented. Aberrant activation of S6K1 is found in many
      diseases, including diabetes, aging, and cancer. The
      presented ATP competitive organometallic kinase inhibitors
      were inspired by the pan-kinase inhibitor staurosporine, and
      specifically inhibit S6K1, and verify the strategy
      successfully applied previously to target other kinases.
      Furthermore, the obtained biochemical data demonstrate that
      the compounds inhibit S6K1 with an IC50 value in the low
      nanomolar range at 100 μM ATP. Moreover, the crystal
      structures of S6K1 bound to staurosporine, and two
      ruthenium(II) based inhibitors reveal that the compounds bind
      in the ATP binding site and exhibit S6K1-specific contacts,
      resulting in changes to the p-loop, aC helix, and aD helix
      compared to the staurosporine bound structure. In vitro
      assays reveal inhibited S6K phosphorylation in yeast cells.
      These cumulated biological studies demonstrate that potent,
      selective, and cell permeable metal based inhibitors can
      provide a scaffold for the future development of compounds
      with possible therapeutic applications. However, the so far
      presented complexes are racemic mixtures. Thus, to apply
      these compounds for the therapeutic use the pharmacologic and
      toxicological characterisation of each present structural
      isomer is obligatory. Therefore, the asymmetric synthesis of
      desired structural isomers of the metal based kinase
      inhibitors is highly favourable. Thus, controlling the metal
      centered relative stereochemistry represents the key to
      achieve this task. The application of a proline based chiral
      tridentate ligand to decisively influence the coordination
      sphere of an octahedral rhodium(III) complex is described as
      possible solution to face this issue. The mirror-like
      relationship of synthesised enantiomers and differences
      between diastereomers were investigated. Furthermore, the
      application of the established pyridocarbazole pharmacophore
      ligand as part of the organometallic complexes to obtain
      kinase inhibitors is demonstrated. Moreover, the importance
      of the relative stereochemistry at metal in chiral
      environments like biomolecules is highlighted by both,
      protein kinase profiling and competitive inhibition studies.
      The cumulated results confirm that the proline based
      enantiopure rhodium (III) complexes differ entirely in their
      selectivity and specificity despite their unmistakably mutual
      origin. The successful work using proline as a chiral
      building block inspired to implement other chiral amino acids
      into the ligand design. For this aim, a versatile set of
      amino acids were elaborated as starting points for the ligand
      synthesis. As highly functionalised building blocks, they
      offer the possibility to orient a particular functional group
      into a defined site of the enzyme pocket, overall predefined
      by the chirality at metal. However, the ambitious attempts
      were limited by the synthetic issues accompanying the
      implementation of primary amino acids into the ligand design
      due to steric effects influencing the yields. Nevertheless,
      the biological data evaluating the obtained complexes offered
      valuable hints for the future ligand scaffolds.