Yeni bir grup potansiyel anti-alzheimer etkili takrin-donepezil hibritleri üzerinde çalışmalar
Studies on A group of novel tacrine-donepezil hybrids as anti-alzheimer compounds
Yazar: GÜLŞAH BAYRAKTAR
Danışman: PROF. DR. VİLDAN ALPTÜZÜN
Ege Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Farmasötik Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Eczacılık ve Farmakoloji = Pharmacy and Pharmacology
Dizin: Alzheimer hastalığı = Alzheimer disease ; Donepezil = Donepezil ; Farmasötik kimya = Chemistry-pharmaceutical ; Kolinesteraz inhibitörleri = Cholinesterase inhibitors

Özet:
Alzheimer hastalığı, yaşlılarda görülen demansın en yaygın türüdür. Artan ortalama yaşam süresiyle Alzheimer hastalığının insidansı buna paralel olarak artış göstermektedir. Günümüzde yaklaşık 33 milyon kişinin Alzheimer hastası olduğu tahmin edilmektedir ve bu sayı gün geçtikçe artmaktadır.
Alzheimer hastalığı çok faktörlü bir patoloji gösterir. Azalmış kolinerjik iletim, amiloid β plaklar, tau proteinlerinin hiperfosforilasyonu ve nörofibriler yumaklar hastalığın tanımlanmış patolojik bulgularıdır. Beyindeki metal iyon dengesinin bozulması, mitokondriyel bozukluk, oksidatif stres ve nöroinflamasyon da bu bulgulara eşlik etmektedir. Alzheimer hastalığının moleküler mekanizması ile ilgili yoğun çalışmalar devam etmesine karşın, hastalığının çok faktörlü patolojisi hala tam olarak aydınlatılamamıştır. Günümüzde hastalığın tedavisinde FDA tarafından onaylanmış 3 tane AChE enzim inhibitörü, 1 tane N-metil-D-aspartat reseptör antagonisti kullanılmaktadır. AChE inhibitörleri kolinerjik transmisyonu arttırarak hafıza bozukluklarını iyileştirmektedir. 
AChE'nin amiloid β agregasyonuna neden olan nonklasik fonksiyonlarını enzimin girişinde yer alan periferal anyonik yöre aracılığıyla gösterdiğinin anlaşılmasıyla, enzimin katalitik aktif yöresinin yanı sıra, periferal anyonik yöresiyle de etkileşebilen ikili yöre etkileşimli inhibitörlerin geliştirilmesi, anti-Alzheimer ilaç keşfinde yeni bir strateji olarak karşımıza çıkmıştır. Ayrıca butirilkolinesteraz (BChE) enziminin hastalığın patolojisindeki ve asetilkolin yıkımındaki rolünün anlaşılmasıyla her iki enzimi selektif veya non-selektif inhibe eden ligandlar tasarlanmıştır. Günümüzde, Alzheimer hastalığının karmaşık patolojisi göz önüne alındığından çoklu hedefe yönlendirilmiş ligandlar (MTDL) anti-Alzheimer ligand geliştirmede önem kazanmıştır.
Farmakoforik grupların birleştirilmesiyle oluşturulan hibrit moleküller ilaç geliştirme çalışmalarında kullanılan yöntemlerden birisidir. Tez çalışmasında 26 adet yeni takrin-donepezil türevi hibritin tasarımı, sentezi, biyoaktivite ve moleküler modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Donepezilin 1-benzilpiperidin kısmı ve takrin yapısı farmakofor olarak seçilmiş, bu iki yapı hidrazon grubu ile birleştirilerek AChE enziminin ikili yöre inhibisyonu hedeflenmiştir. Önceki çalışmada hidrazon grubu taşıyan bileşiklerin AChE/BChE inhibisyonlarının yanısıra amiloid β agregasyonunu inhibe edici özellikleri raporlanmıştır. Literatür araştırmaları, hidrazon grubu taşıyan bileşiklerin metal bağlama potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. Bu bilgilere dayanarak tasarlanıp sentezlenen tüm bileşiklerin AChE ve BChE inhibisyonları değerlendirilmiş, bazı bileşiklerin amiloid β agregasyon inhibisyonları belirlenmiş ve Non bileşiğinin metal kompleks oluşturma yeteneği incelenmiştir. 
Tasarlanan bileşiklerin sentezi 5 basamakta gerçekleştirilmiştir. İlk olarak 9-kloro-1,2,3,4-tetrahidroakridin bileşiği, sonrasında ise bu yapının 9-hidrazino türevi sentezlenmiştir. Diğer yandan sentezlenen fenil halkasından sübstitüe 1-benzilpiperidinonların, 9-hidrazino-1,2,3,4-tetrahidroakridinle hidrazonları oluşturularak takrin-donepezil hibritleri elde edilmiştir. Tüm final bileşikleri HCl tuz formlarında izole edilmiş ve karakterizasyonları yapılmıştır.
Bileşiklerin ChE inhibitör aktivite sonuçlarına göre, tüm türevlerin hem AChE hem de BChE enzimlerine karşı oldukça aktif olduğu ve bu enzimleri düşük µM konsantrasyonlarda inhibe ettiği görülmektedir. Sentezlenen bileşikler arasında AChE enzimine karşı en aktif türev IC50=0.105 µM değeriyle 3F, BChE'ye karşı en aktif türev ise IC50=0.028 µM değeriyle 3D olarak bulunmuştur. Test edilen bileşikler amiloid β agragasyonunu farklı yüzdelerde inhibe etmiştir. Yapılan spektrofotometrik çalışmayla, Non bileşiğinin Cu+2 ve Fe+2 metalleri ile kompleks oluşturabilme potansiyeline sahip olduğu düşünülmektedir.
3D ve 3F bileşiklerinin AChE/BChE enzimleri üzerinde doking çalışmaları yapılmıştır ve sonuçlar bileşiklerin AChE enziminin ikili yöre etkileşimli inhibitörleri olabileceğini göstermiştir. Ayrıca, tüm bileşiklerin ADME özellikleri teorik olarak hesaplanmıştır ve bu ön veriler bileşiklerin iyi bir biyoyararlanım gösterebileceğine işaret etmektedir. Sonuç olarak, moleküllerin tasarımda hedeflenen çok yönlü biyolojik aktivite in vitro ve in silico olarak gözlenmiştir. Tez çalışması kapsamında sentezlenen takrin-donepezil hibritlerinin tümü ilk kez bu çalışmada rapor edilmiştir.

Abstract:
Alzheimer's Disease (AD) is the most common form of dementia in elderly people. As the life expectancy has increased, the incidence of AD has risen dramatically. It is estimated that today, there are approximately 33 million people with AD.
AD has a multifaceted pathology including decreased cholinergic transmission, amyloid β plaques, hyperphosphorolation of tau proteins and neurofibrillar tangles. As the disease progress, biometal dyshomeostasis, mitochondrial dysfunction, oxidative stress and neuroinflamation accompany to these pathologic pathways. Although extensive efforts has been made towards the understanding of the underlying molecular mechanisms in AD, exact patholgy of the disease has not been not fully understood yet. AChE inhibitors improve memory by increasing cholinergic transmission and 3 AChE inhibitors and 1 NMDA receptor agonist are approved by FDA in the treatment of AD.
Peripheral anionic site of the AChE mediates non-classical functions of the enzyme, therefore development of inhibitors targetting dual site of the AChE is emerged as dual binding site inhibitor strategy in anti-Alzheimer drug discovery. Considering contribution of BChE to the hydrolysis of acethylcholine and disease pathology,  selective and non-selective inhibitors for both enzymes have been designed. Nowadays, taking multifactorial AD pathology into account, Multi-Target Directed Ligands (MTDL) strategy is attracting more attention in the development of anti-Alzheimer drugs.
Hybrid molecules combine two different pharmacophore groups in one molecule and an important drug development strategy in medicinal chemistry. In this dissertation, 26 novel tacrine-donepezil hybrids were designed, synthesized and biological activity molecular modelling studies were carried out on this compounds. Benzylpiperidine moiety of donepezil and tacrine were selected as pharmacophores and connected with hydrazone functional group to aim dual binding site inhibition of AChE. Previously, amyloid β aggregation inhibitory activity of the compounds bearing hydrazone functional group was reported. On the other hand, literature survey indicated that hydrazone containing compounds have a potential metal binding ability. Therefore, all the data were considered in the design of the tacrine-donepezil hybrids. In parallel with this, both AChE and BChE inhibitory activities of all compounds were evaluated then some compounds were tested for their inhibitory activity on amyloid β formations and finally metal complex formation ability of compound Non was examined.
The synthesis of the designed compounds was realized in 5 steps. In the first step, 9-chloro-1,2,3,4-tetrahydroacrine was obtained then, nucleophilic substitution of this gave 9-hydrazino-1,2,3,4-tetrahydroacridine. On the other hand, various substituted benzylpiperidin derivatives were synthesized and reacted with hydrazino-compound to obtain hydrazone containing tacrine-donepezil hybrids. All of the final compounds were isolated and chracterized in their HCl salt forms. 
All of the title compounds were found active for both AChE and BChE and inhibited both enzymes at very low µM concentrations. Among the synthesized compounds, 3F was found to be the most active one towards AChE with an IC50 value of 0.105 µM while, 3D was the most active derivative towards BChE with an IC50 value of 0.028 µM. All of the tested compounds inhibited amyloid β aggregation at different ratios. Besides, spectrophotometric metal binding assay indicated that compound Non may have a potency to form complexes with Cu2+ and Fe2+.
Apart from these, docking studies were performed with compound 3D and 3F on AChE and BChE enzymes. As predicted, the results suggested that the compounds interact with dual site of the AChE. Additionally, ADME properties of the compounds were evaluated and according to these predictions, the final compounds might express good bioavailability. Consequently, the title compounds showed promising multi-target profile both in in vitro and in silico assays as designed. All of the tacrine-donepezil hybrids were reported for the first time in this study.