Untersuchungen zur intrazellulären Freisetzung von Nucleosidphosphaten

Abstract

Diese Arbeit behandelt drei unterschiedliche Themenbereiche. Sie umfasste den intrazellulären Einschluss „lock-in“-modifizierter cycloSal-Pronucleotide, die Synthese und Charakterisierung intrinsisch fluoreszierender Nucleoside und Pronucleotide und die Entwicklung eines Nucleosiddiphosphat-Prodrug-Konzeptes, basierend auf dem cycloSal- und dem BAB-Konzept.

Im ersten Kapitel wurden neuartige „lock-in“-modifizierte cycloSal-Pronucleotide basierend auf der POM-Modifikation vorgestellt. Dabei offenbarten die Untersuchungen der Verbindungen einige Schwächen dieses Ansatzes. Dies führte zu der Entwicklung Aminosäureester modifizierter cycloSal-Pronucleotide, einer interessanten Verbindungsklasse mit einstellbaren Eigenschaften. Dies zeigten die Untersuchungen mit verschiedenen Aminosäuren, verschiedener Stereochemie, jeweils an der Aminosäure und am Phosphoratom sowie eine Variation der Esterfunktionen. Weiterhin wurden die Verbindungen unter chemischen Bedingungen und in biologischen Medien hydrolysiert und die Abbauprodukte analysiert, woraus sich ein detaillierter Hydrolysemechanismus ableiten ließ. Aus den antiviralen Daten dieser Verbindungen ließen sich dann prinzipiell geeignete Modifikationen ableiten. Einige der Verbindungen wiesen einen vollständigen Erhalt der antiviralen Aktivität in Thymidin-Kinase defizienten Zellen auf (CEM/TK-), ein Ergebnis, dass die effiziente intrazelluläre NMP-Freisetzung unterstreicht. Die optimierte Maskierungsfunktion wurde nun auch an weiteren antiviral aktiven Nucleosidanaloga erprobt. Im zweiten Kapitel wurde die Synthese intrinsisch fluoreszierender Nucleoside detailliert beschrieben. Die nachfolgende Umwandlung dieser Nucleoside in verschiedene cycloSal-Prodrugs konnte erreicht werden. Durch U-Rohr Experimente konnte die generelle Idee eines „lock-in“-Konzeptes durch Fluoreszenzanalyse dargelegt werden, was den ersten und zweiten Teil dieser Arbeit verbindet. Leider scheiterte die direkte intrazelluläre Analyse der Verbindungen durch Fluoreszenzmikroskopie, da die Wellenlänge der UV-Lampe nicht hinreichend kurzwellig war, um die untersuchten Verbindungen effektiv anzuregen. Dennoch könnten die dargestellten Verbindungen aufgrund der Möglichkeit ihres empfindlichen Nachweises in Zellaufschluss-Studien untersucht werden. Im dritten Kapitel wurde die Entwicklung eines NDP-Prodrug-Systems beschrieben. Im Verlauf der Synthesen und der Untersuchung der Verbindungen konnten verschiedene Faktoren für eine effektive NDP-Freisetzung gefunden werden. Dies führte am Ende zur Darstellung von BAB-NDP-Prodrugs mit optimierten Eigenschaften. Erstmals konnten auf diese Weise lipophile Prodrugs von Nucleosiddiphosphaten beschrieben werden, welche die Fähigkeit besitzen, durch passive Diffusion in die Zelle zu gelangen, um dort große Mengen NDP freizusetzen. Die Abbaumechanismen dieser Verbindungen wurden detailliert untersucht und aufgeklärt. Abschließend wurde die Synthese eines intrinsisch fluoreszierenden, enzymatisch aktivierten BAB-NDP-Prodrugs beschrieben, welches alle drei Teilaspekte der Dissertation vereint.

This thesis deals with three different topics, i.e. the intracellular lock-in of modified cycloSal-pronucleotides, the synthesis and analytical evaluation of intrinsically fluorescent nucleosides and pronucleotides and the design of efficient NDP-prodrug-systems based on the cycloSal- and BAB-concept.

In the first chapter, the design of novel lock-in modified cycloSal-pronucleotides based on the POM-approach is presented. The examination of the impairments of this system leads to the design of aminoacidester-modified cycloSal-pronucleotides, an interesting class of new compounds with finely adjustable properties. The investigation of different amino acids, different stereochemistry, both at the amino acid and phosphorous, as well as commutation of the ester moieties, facilitates the deduction of principally beneficial modifications. Both, the mechanism of pure chemical hydrolysis and the mechanism of enzyme triggered hydrolysis, are finally unravelled. For some of the compounds full TK-bypass activity is found, underlining the highly efficient intracellular NMP delivery. Additionally, the concept is expanded on different antivirally active nucleosides. In the second chapter, the synthesis of intrinsically fluorescent nucleoside analogs is described in detail. The following conversion of these nucleosides to a variety of prodrugs is achieved. With a simple experimental setup, the lock-in concept is exemplified, which conjoins the first and the second part of this thesis. Unfortunately, the desired in-cell analysis of different pronucleotides employing fluorescence microscopy fails due to a little gap between absorption and excitation wavelengths. Anyhow, by taking advantage of the high sensitivity of fluorescence analysis, the compounds might still be useful in cellular breakdown studies as an alternative to the radio labelling of compounds. In the third chapter, the design of NDP-prodrug systems is described. During the course of synthesis and evaluation of the compounds, different requirements for the efficient NDP-release are derived. This finally leads to the design of BAB-NDP-prodrugs with extraordinary properties. For the first time, lipophilic prodrugs of NDPs are described, that are able to enter cells by passive diffusion and that release large amounts of NDP. The breakdown mechanisms of these prodrugs are painstakingly investigated, leading to different proposals of hydrolysis in a variety of chemical and biological media. The synthesis of an intrinsically fluorescent, enzymatically activated BAB-Prodrug interconnects all three different parts of this thesis.