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Strukturbasiertes Design, Synthese und pharmakologische Evaluation von Proteasom- und FLT3-Inhibitoren in Leukämiemodellen

Stubba, Daniel (2020):
Strukturbasiertes Design, Synthese und pharmakologische Evaluation von Proteasom- und FLT3-Inhibitoren in Leukämiemodellen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011715,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11715],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Das Ubiquitin-Proteasom-System ist verantwortlich für die kontrollierte nicht-lysosomale Proteolyse in eukaryotischen Zellen und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase. Tumorzellen sind deutlich anfälliger für eine reduzierte Proteasomaktivität, wodurch es zur Apoptose kommen kann. Die Strategie, das Proteasom gezielt zu inhibieren, führte bis dato zu drei zugelassenen Inhibitoren für das 20S-Proteasom, zur Behandlung von Tumoren des blutbildenden Systems. Der Einsatz der Wirkstoffe wird jedoch durch Dosis-limitierende Nebenwirkungen, wie der peripheren Neuropathie, sowie der Beschränkung auf nicht-solide Tumore begrenzt. Dies beruht vor allem auf dem vorliegenden (pseudo)-irreversiblen Bindeverhalten sowie mangelnder Selektivität. Diese Probleme können durch die Verwendung alternativer elektrophiler Kopfgruppen, wie der alpha-Ketoamid-Gruppe, umgangen werden, was zur Entwicklung der Leitstrukturen BSc2189 und BSc4999 führte. Diese Verbindungen binden nachweislich kovalent-reversibel und erlauben zudem eine Adressierung der gestrichenen Seite des Substratbindekanals der beta5-Untereinheit. Ausgehend von den genannten Leitstrukturen lieferte ein iteratives Verfahren aus molekularer Modellierung, Synthese und pharmakologischer Evaluation das alpha-Ketoamid BSc5376 mit einer deutlich gesteigerten inhibitorischen Aktivität. Weiterführende Analysen lieferten Hinweise auf ein kovalent-reversibles Bindeverhalten sowie Zellgängigkeit und Selektivität. Im Gegensatz zu Bortezomib konnten im Zebrafisch-Embryonen-Fluchtreflex-Assay keine neurotoxischen Effekte beobachtet werden. Die Lokalisierung der Inhibitoren in Tumorzellen sowie die Aufnahme in Zebrafisch-Embryonen konnte durch die Entwicklung fluoreszenter BODIPY-Konjugate gezeigt werden. In einem weiteren Projekt wurde die Entwicklung von Immunoproteasom-spezifischen Inhibitoren mit einem dual-kovalenten Bindungsmodus verfolgt. Ein letzter Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Synthese sowie der pharmakologischen Evaluierung von Bisaminopyrimidin-Derivaten als Inhibitoren der FLT3-Kinase zur Therapie der akuten myeloischen Leukämie.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Stubba, Daniel
Title: Strukturbasiertes Design, Synthese und pharmakologische Evaluation von Proteasom- und FLT3-Inhibitoren in Leukämiemodellen
Language: German
Abstract:

Das Ubiquitin-Proteasom-System ist verantwortlich für die kontrollierte nicht-lysosomale Proteolyse in eukaryotischen Zellen und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase. Tumorzellen sind deutlich anfälliger für eine reduzierte Proteasomaktivität, wodurch es zur Apoptose kommen kann. Die Strategie, das Proteasom gezielt zu inhibieren, führte bis dato zu drei zugelassenen Inhibitoren für das 20S-Proteasom, zur Behandlung von Tumoren des blutbildenden Systems. Der Einsatz der Wirkstoffe wird jedoch durch Dosis-limitierende Nebenwirkungen, wie der peripheren Neuropathie, sowie der Beschränkung auf nicht-solide Tumore begrenzt. Dies beruht vor allem auf dem vorliegenden (pseudo)-irreversiblen Bindeverhalten sowie mangelnder Selektivität. Diese Probleme können durch die Verwendung alternativer elektrophiler Kopfgruppen, wie der alpha-Ketoamid-Gruppe, umgangen werden, was zur Entwicklung der Leitstrukturen BSc2189 und BSc4999 führte. Diese Verbindungen binden nachweislich kovalent-reversibel und erlauben zudem eine Adressierung der gestrichenen Seite des Substratbindekanals der beta5-Untereinheit. Ausgehend von den genannten Leitstrukturen lieferte ein iteratives Verfahren aus molekularer Modellierung, Synthese und pharmakologischer Evaluation das alpha-Ketoamid BSc5376 mit einer deutlich gesteigerten inhibitorischen Aktivität. Weiterführende Analysen lieferten Hinweise auf ein kovalent-reversibles Bindeverhalten sowie Zellgängigkeit und Selektivität. Im Gegensatz zu Bortezomib konnten im Zebrafisch-Embryonen-Fluchtreflex-Assay keine neurotoxischen Effekte beobachtet werden. Die Lokalisierung der Inhibitoren in Tumorzellen sowie die Aufnahme in Zebrafisch-Embryonen konnte durch die Entwicklung fluoreszenter BODIPY-Konjugate gezeigt werden. In einem weiteren Projekt wurde die Entwicklung von Immunoproteasom-spezifischen Inhibitoren mit einem dual-kovalenten Bindungsmodus verfolgt. Ein letzter Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Synthese sowie der pharmakologischen Evaluierung von Bisaminopyrimidin-Derivaten als Inhibitoren der FLT3-Kinase zur Therapie der akuten myeloischen Leukämie.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 07 Department of Chemistry
07 Department of Chemistry > Organ Chemistry
Date Deposited: 08 May 2020 07:34
DOI: 10.25534/tuprints-00011715
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11715
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-117159
Referees: Schmidt, Prof. Dr. Boris and Hausch, Prof. Dr. Felix
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 27 April 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The ubiquitin-proteasome system is the main non-lysosomal pathway for protein degradation in eukaryotic cells, thus playing a crucial role in the cellular protein turnover. Tumor cells are more susceptible to a reduced proteasomal activity that can lead to apoptosis. The inhibition of the 20S proteasome is an established strategy for the treatment of hematological tumors with three approved drugs so far. Nevertheless, their use is limited due to dose-limiting side-effects like the peripheral neuropathy as well as the limitation to non-solid tumors. These effects are mostly caused by the (pseudo)-irreversible binding mode and a lack of selectivity. These problems can be tackled using alternative electrophilic warheads such as the alpha-ketoamide-motif that lead to the development of the lead structures BSc2189 and BSc4999. Those compounds bind covalent-reversible and bear the unique advantage of addressing the primed-site of the substrate binding channel of proteasomes’ beta-5 subunit. An iterative process consisting of molecular modelling, synthesis and pharmacological evaluation lead to the development of the alpha-ketoamide BSc5376 with increased inhibitory activity. Further analysis gave hints for the covalent-reversible binding mode as well as cell permeability and selectivity. In contrast to Bortezomib, BSc5376 is not showing any neurotoxic effect in the zebrafish embryo-based escape response assay. The localization of the inhibitors in tumor cells and the uptake in zebrafish embryos could be shown using BODIPY-conjugated fluorescent inhibitors. A following project is about the development of specific inhibitors for the immuno proteasome that have a dual-covalent binding mode. The last part of the work describes the synthesis and the pharmacological evaluation of bisaminopyrimidine-derivatives as inhibitors for the FLT3 kinase for the treatment of acute myeloid leukemia.English
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