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Natural Products as Kinase Inhibitors: Total Synthesis, in Vitro Kinase Activity, in Vivo Toxicology in Zebrafish Embryos and in Silico Docking

Kenfack Sipoho, Annicet (2023)
Natural Products as Kinase Inhibitors: Total Synthesis, in Vitro Kinase Activity, in Vivo Toxicology in Zebrafish Embryos and in Silico Docking.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026366
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Despite significant progress in developing small molecule kinase inhibitors, most human kinases still lack high-quality selective inhibitors that might be employed as chemical probes to study their biological function and pharmacology. Natural products (NPs) and their synthetic derivates might give avenues to overcome this frequently encountered challenge as they demonstrated to target a wide range of kinases, including all subfamilies of the known kinome. Nonetheless, isolating these NPs from their sources necessitates massive harvesting, which is fraught with difficulties and triggers enormous harm to the ecology. Moreover, the challenges encountered while extracting these NPs from their sources are constantly present and have few viable solutions. Considering these aspects, total synthesis and semisynthesis have been employed to replicate the most intriguing compounds of living nature in laboratories to obtain larger quantities for extended studies. The present work outlined the attempts to perform the first total syntheses and to evaluate the biological activity of naturally occurring potent anti-cancer compounds: Depsipeptide PM181110, Eudistomidin C, and Fusarithioamide A. Efforts to achieve the first total syntheses of these natural compounds have been based on highly convergent and unified approaches. Depsipeptide PM181110 is a bicyclic depsipeptide featuring four stereogenic centres whose attempts to perform its first total synthesis were undertaken by synthesizing its diastereomers 3R,9R,14R,17R, and 3R,9S,14R,17R. Similarly, for Eudistomidin C and Fusarithioamide A having known stereochemistry, the attempts to perform their syntheses were made starting from enantiomerically pure reagents. The synthesized compounds BSc5484, BSc5517 and the analogues were subjected to biological activity tests afterwards. Accordingly, a kinase inhibitory activity test was performed, followed by an in vivo toxicology assay in wild-type and gold-type zebrafish embryos Danio rerio. As a result, the assayed compounds displayed moderate to good inhibition of the kinases with an apparent selectivity profile and toxicity in zebrafish embryos illustrated by the observed phenotypes. Finally, an in silico experiment revealed that BSc5484 and BSc5485 might bind as type IV inhibitors, while BSc5517 demonstrated a better binding affinity to human Haspin kinase compared to the known b-carboline inhibitor Harmine across the panel of the tested kinases. This work thus provides the first directed tools about the potential of naturally derived compounds as inhibitors of disease-causing proteins that are key players in numerous forms of cancer and other illnesses. Consequently, establishing depsipeptide and b-carboline-based compounds as therapeutic leads is crucial and will provide a powerful tool to further elucidate their biological function through targeted structural variations.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Kenfack Sipoho, Annicet
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Natural Products as Kinase Inhibitors: Total Synthesis, in Vitro Kinase Activity, in Vivo Toxicology in Zebrafish Embryos and in Silico Docking
Sprache: Englisch
Referenten: Schmidt, Prof. Dr. Boris ; Hausch, Prof. Dr. Felix
Publikationsjahr: 29 November 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xvi, 333 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 13 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026366
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26366
Kurzbeschreibung (Abstract):

Despite significant progress in developing small molecule kinase inhibitors, most human kinases still lack high-quality selective inhibitors that might be employed as chemical probes to study their biological function and pharmacology. Natural products (NPs) and their synthetic derivates might give avenues to overcome this frequently encountered challenge as they demonstrated to target a wide range of kinases, including all subfamilies of the known kinome. Nonetheless, isolating these NPs from their sources necessitates massive harvesting, which is fraught with difficulties and triggers enormous harm to the ecology. Moreover, the challenges encountered while extracting these NPs from their sources are constantly present and have few viable solutions. Considering these aspects, total synthesis and semisynthesis have been employed to replicate the most intriguing compounds of living nature in laboratories to obtain larger quantities for extended studies. The present work outlined the attempts to perform the first total syntheses and to evaluate the biological activity of naturally occurring potent anti-cancer compounds: Depsipeptide PM181110, Eudistomidin C, and Fusarithioamide A. Efforts to achieve the first total syntheses of these natural compounds have been based on highly convergent and unified approaches. Depsipeptide PM181110 is a bicyclic depsipeptide featuring four stereogenic centres whose attempts to perform its first total synthesis were undertaken by synthesizing its diastereomers 3R,9R,14R,17R, and 3R,9S,14R,17R. Similarly, for Eudistomidin C and Fusarithioamide A having known stereochemistry, the attempts to perform their syntheses were made starting from enantiomerically pure reagents. The synthesized compounds BSc5484, BSc5517 and the analogues were subjected to biological activity tests afterwards. Accordingly, a kinase inhibitory activity test was performed, followed by an in vivo toxicology assay in wild-type and gold-type zebrafish embryos Danio rerio. As a result, the assayed compounds displayed moderate to good inhibition of the kinases with an apparent selectivity profile and toxicity in zebrafish embryos illustrated by the observed phenotypes. Finally, an in silico experiment revealed that BSc5484 and BSc5485 might bind as type IV inhibitors, while BSc5517 demonstrated a better binding affinity to human Haspin kinase compared to the known b-carboline inhibitor Harmine across the panel of the tested kinases. This work thus provides the first directed tools about the potential of naturally derived compounds as inhibitors of disease-causing proteins that are key players in numerous forms of cancer and other illnesses. Consequently, establishing depsipeptide and b-carboline-based compounds as therapeutic leads is crucial and will provide a powerful tool to further elucidate their biological function through targeted structural variations.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Trotz erheblicher Fortschritte bei der Entwicklung niedermolekularer Kinaseinhibitoren fehlt es den meisten menschlichen Kinasen immer noch an hochwertigen selektiven Inhibitoren, die als chemische Sonden zur Untersuchung ihrer biologischen Funktion und Pharmakologie eingesetzt werden könnten. Naturstoffe und ihre synthetischen Derivate könnten einen Weg zur Überwindung dieser häufig auftretenden Herausforderung bieten, da sie nachweislich auf ein breites Spektrum von Kinasen abzielen, einschließlich aller Unterfamilien des bekannten Kinoms. Um diese Naturprodukte aus ihren Quellen zu isolieren, müssen sie jedoch in großem Umfang extrahiert werden, was mit Schwierigkeiten verbunden ist und der Ökologie großen Schaden zufügt. Außerdem gibt es bei der Gewinnung dieser Naturprodukte aus ihren Quellen immer wieder Probleme, für die es nur wenige praktikable Lösungen gibt. In Anbetracht dieser Aspekte wurden die Totalsynthese und die Semisynthese eingesetzt, um die faszinierendsten Verbindungen der lebenden Natur im Labor zu reproduzieren und größere Mengen für ausgedehnte Studien zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wurden die Versuche zur Durchführung der ersten Totalsynthesen und zur Bewertung der biologischen Aktivität von natürlich vorkommenden, potenten Antikrebsverbindungen beschrieben: Depsipeptid PM181110, Eudistomidin C und Fusarithioamid A. Die ersten Totalsynthesen dieser Naturstoffe beruhen auf konvergenten und einheitlichen Ansätzen. Das Depsipeptid PM181110 ist ein bicyclisches Depsipeptid mit vier stereogenen Zentren, dessen erste Totalsynthese durch die Synthese seiner Diastereomere 3R,9R,14R,17R und 3R,9S,14R,17R versucht wurde. Auch bei Eudistomidin C und Fusaruthioamid A mit bekannter Stereochemie wurden die Syntheseversuche ausgehend von enantiomerenreinen Reagenzien durchgeführt. Die synthetisierten Verbindungen BSc5484, BSc5517 und die Analoga wurden anschließend auf ihre biologische Aktivität hin untersucht. Dementsprechend wurde die kinasehemmende Wirkung untersucht, gefolgt von einem In-vivo-Toxizitätsversuch an Wildtyp- und Goldtyp-Zebrafischembryonen Danio rerio. Im Ergebnis zeigten die untersuchten Verbindungen eine mäßige bis gute Hemmung der Kinasen mit einem offensichtlichen Selektivitätsprofil und einer Toxizität in Zebrafischembryonen, die durch die beobachteten Phänotypen veranschaulicht wird. Schließlich ergab ein In-silico-Experiment, dass BSc5484 und BSc5485 als Typ-IV-Inhibitoren binden könnten, während BSc5517 im Vergleich zum bekannten b-Carbolin-Inhibitor Harmine eine bessere Bindungsaffinität zur menschlichen Haspin-Kinase zeigte, und zwar über die gesamte Palette der getesteten Kinasen. Diese Arbeit liefert somit das erste chemische Werkzeug, um mit natürlich gewonnenen Verbindungen, von krankheitsverursachenden Proteinen zu inhibieren, die bei zahlreichen Formen von Krebs und anderen Krankheiten eine Schlüsselrolle spielen. Folglich ist die Etablierung von Depsipeptid und b-Carbolin basierten Verbindungen als therapeutische Leitstrukturen von entscheidender Bedeutung und wird ein leistungsfähiges Werkzeug zur weiteren Aufklärung ihrer biologischen Funktion durch gezielte strukturelle Veränderungen darstellen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-263665
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Organische Chemie
Hinterlegungsdatum: 29 Nov 2023 12:11
Letzte Änderung: 30 Nov 2023 06:01
PPN:
Referenten: Schmidt, Prof. Dr. Boris ; Hausch, Prof. Dr. Felix
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 November 2023
Export:
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