Synthese von Fettsäure-Mimetika und deren Charakterisierung als PPARalpha/gamma-Agonisten und duale mPGES-1/5-LO-Inhibitoren

Synthesis of fatty acid mimetics and their characterization as PPARalpha/gamma agonists and dual mPGES-1/5-LO inhibitors

  • Die vorliegende, in kumulativer Schreibweise verfasste Arbeit erläutert die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung zweier unter­schiedlicher Leit­strukturen, die als Agonisten von Peroxisomen Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPAR) und gleichsam als duale Inhibitoren der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1 (mPGES-1) und der 5-Lipoxygenase (5-LO) wirken. Chemisch betrachtet sind dies zum ersten die Gruppe der alpha-n-Hexyl-Pirinixin­säurederivate und zum zweiten die Gruppe der 2-(Phenylthio)-hexan­säurederivate. Die Publikation zur Synthese und in vitro-pharmakologischen Charakterisierung der alpha-n-Hexyl-Pirinixinsäurederivate an PPAR (Zettl et al., QSAR & Combinatorial Science, 28:576–586, 2009) enthält einerseits die strukturelle Optimierung durch Variation der Aryl-Substitution des zentralen Pyrimidinringes der Leitstruktur und andererseits die durch Docking-Verfahren gestützte Untersuchung des Einflusses der Stereochemie auf die PPAR-Aktivierung. Letztlich konnte durch die Einführung von Biphenyl-Substituenten eine Verbesserung insbesondere der PPARalpha-Aktivität gegenüber der als strukturellen Referenz dienenden alpha-n-Hexyl-Pirinixinsäure (Rau et al., Archiv der Pharmazie, 341:191–195, 2008) erreicht werden. Mit Hilfe von präparativer enantioselektiver HPLC wurde eine ausgewählte Verbindung in ihre beiden Enantiomere getrennt. Deren in vitro-pharmakologische Charakterisierung ergab, dass das (R)-Enantiomer insbesondere bei PPARalpha als Eutomer fungiert. Dieses Ergebnis konnte mit Hilfe von Docking-Studien weiter untermauert werden. Hierbei wurde deutlich, dass die Besetzung der linken proximalen Bindetasche der PPARalpha-Liganden-Bindungs-Domäne durch den alpha-n-Hexyl-Rest lediglich im Fall einer (R)-Konfiguration optimal erfolgen kann. Die Synthese und die in vitro-pharmakologische Charakterisierung der Substanz­klasse der 2-(Phenylthio)-hexansäurederivate an PPAR sind in Zettl et al., Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 19: 4421-4426, 2009 zusammengefasst. Bei der Analyse der Struktur-Wirkungs-Beziehungen erwies sich die Leitstruktur als hochaktiv und sehr robust. Je nach Substitutionsmuster des lipophilen Molekülteils wurden potente selektive PPARalpha-Agonisten wie auch PPARalpha-präferenzielle duale PPARalpha/gamma-Agonisten dargestellt. Durch die Synthese von Kohlenstoff-Analoga und alpha-unsubsti­tuierten Verbindungen wurde des Weiteren der Einfluss des Schwefelatoms und des n-Butylrestes in alpha-Position zur Carbonsäure auf die PPAR-Aktivität untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass beide Strukturelemente einen großen Beitrag zur hohen PPARalpha-Aktivität der Leitstruktur leisten. Wie auch bei den alpha-n-Hexyl-Pirinixinsäurederivaten wurde eine ausgewählte Verbindung in ihre Enantiomere getrennt und der Einfluss des Stereozentrums in alpha-Position zur Carbon­säure untersucht. Das Ergebnis bestätigte die Resultate der vorangegangenen Studie: Das (R)-Enantiomer wirkte als Eutomer, wobei der stereochemische Einfluss bei PPARalpha besonders deutlich war. Ausgewählte Synthesen und die in vitro-pharmakologische Charakterisierung von Pirinixinsäurederivaten an mPGES-1, 5-LO sowie der Cyclooxygenase (COX) sind in Koeberle und Zettl et al., Journal of Medicinal Chemistry, 51:8068–8076, 2009 publiziert. Die Arbeit beinhaltet eine umfassende Reihe an Pirinixinsäurederivaten mit Strukturvariationen in alpha-Position zur Carbonsäure und im Aryl-Substitutions­muster des Pyrimidinringes. Hinsichtlich der alpha-Substitution zeigte sich, dass für Alkylreste eine Kettenlänge von mindestens 6 Kohlenstoffatomen für einen dualen Wirkmechanismus erforderlich ist. Als Leitstruktur für duale mPGES-1/5-LO-Inhibitoren ergab sich somit alpha-n-Hexyl-substituierte Pirinixin­säure, deren Aryl-Substitutionsmuster am zentralen Pyrimidin weiter optimiert wurde. Als vorteilhaft erwies sich die Substitution mit Biphenylresten, wodurch die Darstellung von niedrig mikromolar aktiven dualen mPGES-1/5-LO-Inhibitoren gelang. Bei der Analyse der Strukur-Wirkungs-Beziehungen von unterschiedlichen Biphenylresten zeigte sich eine hohe strukturelle Toleranz hinsichtlich der dualen inhibitorischen Aktivität an der mPGES-1 und der 5-LO. Somit stellen die alpha-n-Hexyl-Pirinixin­säurederivate die ersten publizierten dualen mPGES-1/5-LO-Inhibitoren dar.
  • This cumulative thesis summarizes and discusses the content of the followed articles: 1. Novel Pirinixic Acids as PPARalpha Preferential Dual PPARalpha/gamma Agonists Zettl H, Dittrich M, Steri R, Proschak E, Rau O, Steinhilber D, Schneider G, Lämmerhofer M, Schubert-Zsilavecz M QSAR & Combinatorial Science 2009; 28, 576-586. Abstract: Pirinixic acid is a moderate agonist of both the alpha and the gamma subtype of the peroxisome proliferator activated receptor (PPAR). Previously, we have shown that alpha-alkyl substitution leads to balanced low micromolar-active dual agonists of PPARalpha and PPARgamma. Taking alpha-hexyl pirinixic acid as a new scaffold, we further optimized PPAR activity by enlargement of the lipophilic backbone by substituting the 2,3-dimethylphenyl with biphenylic moieties. Such a substitution pattern had only minor impact on PPARgamma activity but further increased PPARalpha activity leading to nanomolar activities. Supporting docking studies proposed that the (R)-enantiomer should fit the PPARalpha ligand-binding pocket better and thus be more active than the (S)-enantiomer. Single enantiomers of selected active analogues were then prepared by enantio-selective synthesis and enantio-selective preparative HPLC, respectively. Biological data for the distinct enantiomers fully corroborated the docking experiments and substantiate a stereochemical impact on PPAR activation. 2. Discovery of a novel class of 2-mercaptohexanoic acid derivatives as highly active PPARalpha agonists Zettl H, Steri R, Lämmerhofer M, Schubert-Zsilavecz M Bioorg Med Chem Lett 2009; 19, 4421-4426. Abstract: A novel and robust scaffold for highly active PPARalpha agonists based on the 2-mercaptohexanoic acid substructure is presented. Systematic structural variation of the substitution pattern of the phenolic backbone yielded detailed SAR especially of ortho and meta substituents. We corroborated the importance of the sulfur atom as well as of the n-butyl chain for PPARalpha activity in the 2-mercaptohexanoic acid head group by preparation of carbon analogs and alpha-unsubstituted derivatives. Compound 10 represents a low nano molar active PPARalpha activator with excellent selectivity towards PPARgamma. 3. Pirinixic Acid Derivatives as Novel Dual Inhibitors of Microsomal Prostaglandin E2 Synthase-1 and 5-Lipoxygenase Koeberle A, Zettl H, Greiner C, Wurglics M, Schubert-Zsilavecz M, Werz O J Med Chem 2008; 51, 8068-8076. Abstract: Dual inhibition of the prostaglandin (PG) and leukotriene (LT) biosynthetic pathway is supposed to be superior over single interference, both in terms of efficacy and side effects. Here, we present a novel class of dual microsomal PGE2 synthase-1/5-lipoxygenase (5-LO) inhibitors based on the structure of pirinixic acid [PA, 2-(4-chloro-6-(2,3-dimethylphenylamino)pyrimidin-2-ylthio)acetic acid, compound 1]. Target-oriented structural modification of 1, particularly alpha-substitution with extended n-alkyl or bulky aryl substituents and concomitant replacement of the 2,3-dimethylaniline by a biphenyl-4-yl-methane-amino residue, resulted in potent suppression of mPGES-1 and 5-LO activity, exemplified by 2-(4-(biphenyl-4-ylmethylamino)-6-chloropyrimidin-2-ylthio)octanoic acid (7b, IC50 ) 1.3 and 1 microM, respectively). Select compounds also potently reduced PGE2 and 5-LO product formation in intact cells. Importantly, inhibition of cyclooxygenases-1/2 was significantly less pronounced. Taken together, these pirinixic acid derivatives constitute a novel class of dual mPGES-1/5-LO inhibitors with a promising pharmacologial profile and a potential for therapeutic use.

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Metadaten
Author:Heiko Zettl
URN:urn:nbn:de:hebis:30-72492
Referee:Manfred Schubert-ZsilaveczGND, Gisbert Schneider
Advisor:Manfred Schubert-Zsilavecz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/11/13
Release Date:2009/11/18
Tag:5-LO; PPAR; Pirinixinsäure; mPGES-1
In vitro assay; Medicinal Chemistry; Organic synthesis; PPAR; Structure activity relationships
GND Keyword:Pharmazeutische Chemie; Organische Synthese; In vitro; Lipidstoffwechselstörung; Entzündung
Page Number:163
HeBIS-PPN:218172915
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht