Dokument: Histamine H3 receptor antagonists in combination with monoamine oxidase B and adenosine A1/A2A receptor ligands as multi-target approach for the treatment of Parkinson´s disease

Titel:	Histamine H3 receptor antagonists in combination with monoamine oxidase B and adenosine A1/A2A receptor ligands as multi-target approach for the treatment of Parkinson´s disease
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=49573
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190709-103936-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr Affini, Anna [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,16 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.05.2019 / geändert 14.05.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Stark, Holger [Gutachter] Prof. Dr. Gohlke, Holger [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Die Parkinson-Krankheit gehört zu den häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen und ist ein schwerwiegendes Gesundheitsproblem in der alternden Gesellschaft. Parkinson-Patienten leiden an ausgeprägten motorischen Anomalien, wie zum Beispiel den Kardinalsymptomen Muskelzittern, Verlangsamung der Bewegung (Bradykinese), Muskelstarrheit, sowie Haltungsveränderungen. Dopaminerge Therapien, einschließlich L-DOPA sind in den frühen Stadien der Behandlung sehr wirksam, aber nach mehreren Jahren der Medikation beginnen motorische Fluktuationen und Dyskinesien zu erscheinen. Motorische Störungen sind häufig mit nichtmotorischen Symptomen verbunden, die hauptsächlich durch Neurodegeneration in nicht-dopaminergen Systemen entstehen. Zu den häufigsten gehören Depression, Schlafstörungen und Demenz. In Anerkennung der Parkinson-Krankheit als hochkomplexe und multifaktorielle Dysregulation, bei der sowohl motorische als auch nicht-motorische Symptome behandelt werden müssen, sind Forscher gezwungen neue innovative Therapiemöglichkeiten wie der Einsatz von MTLs zu verfolgen. Innerhalb des Multi-Targeting-Ansatzes wird eine große Vielzahl von MTLs beschrieben, die den H3R-Antagonismus in Kombination mit anderen Neurotransmitter-regulierenden „Targets“, d.h. GPCRs, Enzymen und Ionenkanälen, zeigen. Zu Beginn meiner Untersuchung wurde nur eine Handvoll von Leitstrukturen beschrieben, die H3R-Affinität mit Enzymmodulation kombinieren. MTLs die gleichzeitig H3R antagonisieren können, sowie A1R und A2AR wurden noch nicht synthetisiert. Das Design von H3R/MAO B DTLs und H3R/ A1R/A2AR MTLs wurde als potenziell innovativer therapeutischer Ansatz zur Behandlung von motorischen und nichtmotorischen Parkinson-Krankheit-Symptomen durchgeführt. In Bezug auf duales H3R/MAO B Liganden wurde der H3R-Pharmakophor an Indanon-verwandte MAO B-Motive gebunden, was zur Entwicklung von drei Serien von H3R/MAO B-DTLs führte. Unter den synthetisierten Indanon-DTLs beeinflussen verschiedene 5- und 6-Substitutionsmuster der Indanoneinheit stark die MAO B-Inhibierung, Selektivität und Zeitabhängigkeit der Inhibierung. Verbindungen, die die 2-Benzyliden-1-Indanon-Kernstruktur tragen zeigten, dass MAO B die Inhibierungsfähigkeiten zusammen mit der nanomolaren hH3R-Affinitäten bevorzugt. Die Substitution der 5- und 6-Position der 2-Benzyliden-1-indanone mit lipophilen Substituenten ergab drei vielversprechende Kandidaten, die Inhibitionspotentiale für MAO B mit IC50-Werten von 1931 nM bis 276 nM und hohen Affinitäten bei hH3R zeigten (Ki < 50 nM) ). Die Verbindung 3f (MAO B IC50 = 276 nM, hH3R Ki = 10 nM) zeigte die höchste Präferenz für MAO B gegenüber MAO A (SI> 36). Interessanterweise zeigten IC50-Bestimmungen nach Präinkubation von Enzym und DTLs auch nanomolare MAO B-Potenz für 3f-Strukturisomer 3e (MAO B IC50 = 232 nM) und F-substituiertes Derivat 3d (MAO B IC50 = 541 nM), was auf zeitabhängige Inhibitionsmodi hindeutet. Auf der Suche nach irreversiblen MAO B-Liganden wurde die enge strukturelle Verwandtschaft der ersten Reihe von H3R/MAO B-Liganden (1a-e) mit Propargylaminderivaten wie dem Anti-Parkinson-Präparat Rasagilin deutlich. Bemerkenswerterweise führte die reduktive Aminierung der Carbonyleinheit der Verbindung 1e zur Synthese des Derivats 4, das eine hohe Affinität zu hH3R im niedrigen nanomolaren Konzentrationsbereich zeigte (Ki = 2.5 nM). Moderate inhibitorische Potenz für MAO B wurde bestimmt (IC50 = 1736 nM), da es sich aber als irreversibler Ligand erwies und ein gutes Selektivitätsprofil gegenüber MAO A (MAOs SI> 50) aufweist, könnte das neu beschriebene DTL sein ein guter Ausgangspunkt für weitere Optimierungen, insbesondere hinsichtlich der MAO B-Inhibitionsstärke. Der allgemein akzeptierte Aminoalkyloxypropyl-H3R-Pharmakophor, der sich durch die synthetisierten (2-Benzyliden)-1-Indanon-H3R/MAO B-DTLs gezeigt hat, wurde in einen Adenosin-Antagonisten-Aryllindenopyrimidin-Kern für die Synthese von H3R/A1R/A2AR-MTLs eingeführt. Die erfolgreiche Einführung des H3R-Pharmakophors in verschiedene Positionen von oxidierten (Verbindungen 11-16) und nicht oxidierten / reduzierten (Verbindungen 5-10) A1R/A2AR-Gerüst wurde durch (sub)nanomolare Affinität für alle MTLs bestätigt (0.28 nM < Ki (hH3R) < 55 nM). Innerhalb dieser Reihe von Verbindungen zeigten diejenigen mit dem H3R-Pharmakophor in 8-Position des Arylindenopyrimidin-Kerns (MTLs 6, 10, 12, 16) die vielversprechendsten Multitargeting-Merkmale mit Affinitäten in nanomolaren Konzentrationsbereichen bei den gewünschten Zielen. Diese vielversprechendsten Liganden zeigten eine A1R/A2AR-Affinität, mit einer leichten Bevorzugung für das A2AR, was ein ähnliches Verhalten wie die Referenzverbindung JNJ-40255293 nahelegt. Mit diesem innovativen In-Vitro-Profil wurden zwei der potentesten Verbindungen 10 (Ki (hH3R) = 11 nM, Ki (hA1R) = 12 nM, Ki (hA2AR) = 7.3 nM) und 12 (Ki (hH3R)= 52 nM, Ki (hA1R) = 11 nM, Ki (hA2AR) = 4.0 nM) für In-Vivo-Untersuchungen ausgewählt, wobei entweder ihre anti-dyskinetische oder weckfördernde Wirksamkeit bei Nagern bewertet wurde. Eine leichte Verbesserung der L-DOPA-induzierten Dyskinesie wurde bei Ratten nach gleichzeitiger Verabreichung von 10 (1 mg kg-1, i.p.) mit L-DOPA (6 mg kg-1) beobachtet. Darüber hinaus war MTL 12 (2 mg kg-1) in der Lage, den Wachheitsgrad bei Mäusen nach oraler Applikation zu erhöhen. Obwohl im Vergleich zu JNJ-40255293 höhere wirksame Dosen von 12 benötigt werden, da 1 mg/kg p.o. nicht zu einem signifikanten weckfördernden Effekt führt. Diese Studien beweisen die orale Bioverfügbarkeit von Verbindung 12, während beispielsweise pharmakokinetische Eigenschaften (d.h. Gastrointestinale Absorption, Blut-Hirn-Penetration) untersucht werden sollten, da sie die Unterschiede in der wirksamen Dosierung im Vergleich zu JNJ-40255293 erklären könnten. Als Beweis für das Konzept führte die Kombination des H3R einerseits mit MAO B und andererseits mit A1- und A2A-Rezeptoren zur Synthese von potenten MTLs, die ein vielversprechendes pharmakologisches Profil aufweisen. Im Vergleich zu dem DTL H3R/MAO B UCL-2190 oder kürzlich entdeckten Contilisant zeigen die synthetisierten Verbindungen (1a-e, 2a-c, 3a-e und 4) eine verbesserte Hemmung bei MAO B mit reversibler und irreversibler Bindung, vergleichbar H3R-Affinität im niedrigen nanomolaren Bereich. Obwohl eine Optimierung des vielversprechenden H3R/MAO B zur Verbesserung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Ähnlichkeit der Wirkstoffe durchgeführt werden muss, bot diese Studie einen hervorragenden Ausgangspunkt für die Untersuchung der dualen H3R/MAO B-Kombination zur weiteren Optimierung und Entwicklung von potenten Multitarget-Wirkstoffen für die Behandlung der Parkinson-Krankheit. Auch die vielversprechendsten entworfenen H3R/A1R/A2AR MTLs, hierhin zum ersten Mal beschrieben, zeigen Affinitäten in den niedrigen nanomolaren Konzentrationsbereichen bei den gewünschten Zielen sowie ein günstiges Drug-likeness profil können interessante Verbindungen für die Arzneimittelentwicklung darstellen, insbesonderes für die Behandlung von motorischen Störungen mit begleitenden nichtmotorischen Symptomen wie Schlafstörungen bei der Parkinson-Krankheit. Parkinson’s disease (PD) is among the most common neurodegenerative diseases and a major health problem in the ageing society. PD patients suffer from distinct motor abnormalities, exemplified by the cardinal symptoms such as tremor, bradykinesia, rigidity and postural changes. Dopaminergic therapies including L-DOPA are highly effective during the early stages of the treatment but after several years of medications motor fluctuations and dyskinesia start to appear. Motor disorders are commonly associated with non-motor symptoms arising mainly from neurodegeneration in non-dopaminergic systems. Among the most common are depression, sleep behaviour disorders and dementia. Recognizing PD as a highly complex and multifactorial dysregulation where both motor and non-motor symptoms need to be treated, forced researchers to come up with new innovative therapy options such as the design of multi-targeting ligands (MTLs). Within the multi-targeting approach, a great variety of MTLs are described, showing H3R antagonism combined with other neurotransmitter-regulating targets, i.e. GPCRs, enzymes and ion channels. At the beginning of my investigation just a handful of lead structures combining H3R affinity with enzyme modulation were described and MTLs able to simultaneously antagonize the H3R as well as the A1R and A2AR were still not synthetized. Therefore, the design of H3R/MAO B DTLs and H3R/A1R/A2AR MTLs was performed as potentially innovative therapeutic approach for the treatment of PD motor and non-motor symptoms. Concerning dual H3R/MAO B ligands, the H3R pharmacophore was attached to indanone-related MAO B motifs, leading to the development of three series of H3R/MAO B DTLs. Among synthesized indanone DTLs, different 5- and 6-substitution patterns of the indanone moiety strongly influenced MAO B inhibition, selectivity and time dependency of inhibition. Compounds bearing the 2-benzylidene-1-indanone core structure showed MAO B preferring inhibition capabilities along with nanomolar hH3R affinities. Substitution of 5- and 6-position of the 2-benzylidene-1-indanones with lipophilic substituents revealed three promising candidates exhibiting inhibitory potencies for MAO B with IC50 values ranging from 1931 nM to 276 nM and high affinities at hH3R (Ki < 50 nM). Compound 3f (MAO B IC50 = 276 nM, hH3R Ki = 10 nM) showed highest preference for MAO B over MAO A (SI > 36). Interestingly, IC50 determinations after preincubation of enzyme and DTLs revealed also nanomolar MAO B potency for 3f structural isomer 3e (MAO B IC50 = 232 nM) and F-substituted derivative 3d (MAO B IC50 = 541 nM), suggesting time-dependent inhibition modes. In search for irreversible MAO B ligands, the close structural relationship of the first series of H3R/MAO B ligands (1a-e) with propargylamine derivatives such as the anti-parkinson drug rasagiline became clear. Notably, the reductive amination of the carbonyl moiety of compound 1e led to the synthesis of derivative 4, which showed high affinity at hH3R in the low nanomolar concentration range (Ki = 2.5 nM). Moderate inhibitory potency for MAO B was determined (IC50 = 1736 nM), but since it was found to act as an irreversible ligand, and to have a good selectivity profile over MAO A (MAOs SI > 50), the newly described DTL might be a good starting point for further optimization especially regarding MAO B inhibition potency. The general accepted aminoalkyloxypropyl H3R pharmacophore showed by the synthetized (2-benzylidene)-1-indanone H3R/MAO B DTLs, was introduced into an adenosine antagonist arylindenopyrimidine core for the synthesis of H3R/A1R/A2AR MTLs. The successful introduction of the H3R pharmacophore into different positions of oxidized (compounds 11-16) and non-oxidized/reduced (compounds 5-10) A1R/A2AR scaffold was confirmed by (sub)nanomolar affinity at hH3R for all MTLs (0.28 nM < Ki (hH3R) < 55 nM). Within this series of compounds, those bearing the H3R pharmacophore in 8-position of the arylindenopyrimidine core (MTLs 6, 10, 12, 16) showed the most promising multitargeting features with affinities in nanomolar concentration ranges at the desired targets. These most promising ligands showed A1R/A2AR affinity, with a slightly preference for the A2AR, suggesting a similar behavior as reference compound JNJ-40255293. With this innovative in vitro profile, two of the most potent compounds 10 (Ki (hH3R) = 11 nM, Ki (hA1R) = 12 nM, Ki (hA2AR) = 7.3 nM) and 12 (Ki (hH3R) = 52 nM, Ki (hA1R) = 11 nM, Ki (hA2AR) = 4.0 nM) were chosen for in vivo testing, evaluating either their anti-dyskinetic or wake-promoting efficiency in rodents. Slightly improvement of L-DOPA-induced dyskinesia was observed in rats after co-administrations of 10 (1 mg kg-1, i.p.) with L-DOPA (6 mg kg-1). Furthermore, MTL 12 (2 mg kg-1) was able to increase wakefulness in mice after oral application. However, in comparison to JNJ-40255293, higher effective doses of 12 are needed, since 1 mg/kg p.o. does not result in significant wake-promoting effect. However, these studies prove oral bioavailability of compound 12, while for example pharmacokinetic properties (i.e. gastrointestinal absorption, blood-brain penetration) should be evaluated as they might explain the differences in effective dosing compared to JNJ-40255293. As proof-of-concept, the combination of the H3R on the one hand with MAO B and, on the other hand, with A1 and A2A receptors led to the synthesis of potent MTLs, showing a promising pharmacological profile. Comparing to the dual target H3R/MAO B UCL-2190 or recently discovered contilisant, the synthetized compounds (1a-e, 2a-c, 3a-e and 4) show improved inhibition at MAO B with reversible and irreversible binding, having comparable H3R affinity in the low nanomolar range. Although lead optimization needs to be performed for most promising H3R/MAO B to improve physiochemical properties and drug-likeness, this study provided an excellent starting point for the investigation of dual H3R/MAO B combination, for further optimization and development of potent multitarget drugs for the treatment of PD. Also, the most promising designed H3R/A1R/A2AR MTLs, herein described for the first time, showing affinities in the low nanomolar concentration ranges at the desired targets as well as a favorable drug-likeness profile, may represent interesting compounds for drug development, especially for the treatment of motor disorders with accompanying non-motor symptoms such as sleep disruption in PD.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	09.07.2019
Dateien geändert am:	09.07.2019
Promotionsantrag am:	17.10.2018
Datum der Promotion:	31.01.2019