Caroline Schad

• Parasitäre Protozoen wie Leishmanien, Trypanosomen und Plasmodien weisen eine Vielzahl von Cystein-Proteasen der Papainfalimilie (CAC1) auf, welche als Pathogenitäts- und Virulenzfaktoren identifiziert werden konnten. Die aktuell eingesetzten Medikamente zur Behandlung der von diesen Parasiten hervorgerufenen Infektionskrankheiten (Leishmaniose, Afrikanische Schlafkrankheit, Chagas-Krankheit, Malaria) sind aufgrund von Nebenwirkungen, hohen Kosten und sich entwickelnden Resistenzen suboptimal. Die parasitären Cystein-Proteasen stellen daherParasitäre Protozoen wie Leishmanien, Trypanosomen und Plasmodien weisen eine Vielzahl von Cystein-Proteasen der Papainfalimilie (CAC1) auf, welche als Pathogenitäts- und Virulenzfaktoren identifiziert werden konnten. Die aktuell eingesetzten Medikamente zur Behandlung der von diesen Parasiten hervorgerufenen Infektionskrankheiten (Leishmaniose, Afrikanische Schlafkrankheit, Chagas-Krankheit, Malaria) sind aufgrund von Nebenwirkungen, hohen Kosten und sich entwickelnden Resistenzen suboptimal. Die parasitären Cystein-Proteasen stellen daher potentielle Targets zur Entwicklung neuer Therapieansätze dar. Das angestrebte Ergebnis der Entwicklung ist es, selektive Inhibitoren der parasitären Proteasen zu entwickeln, während die Wirt-Proteasen unbeeinflusst bleiben. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der literaturbekannten Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Inhibitoren RV122C (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) und RV212C (Boc-(R)-Leu-(S)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) sowie des Michael-Akzeptor-basierten Inhibitors 16a (Boc-(S)-Phg-(S)-vGln(Trt)-OEt) hinsichtlich ihrer selektiven inhibitorischen Aktivität an parasitären Cystein-Proteasen. Bei allen synthetisierten Verbindungen handelt es sich um potenziell irreversible, kovalente und kompetitive Inhibitoren. Der Aziridinring und das Michael-System stellen elektrophile Bausteine dar, die von dem nucleophilen Thiolatrest des aktiven Zentrums einer Cystein-Protease angegriffen werden und in der irreversiblen Alkylierung des aktiven Zentrums resultieren. Die Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels fluorimetrischer und photometrischer Enzymassays. Zur Evaluierung der biologischen Aktivitäten wurden ggf. weitere biologische Testungen durchgeführt. Die Leitstrukturen RV122C und RV212C der Aziridinylpeptide wurden als Inhibitoren von Proteasen der Cathepsin-L-Subfamilie identifiziert. Eine zweite Serie von Stereo- und Konstitutionsisomeren von RV122C und RV212C brachte ein Derivat hervor, CS09 (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), welches selektive Inhibition von parasitären Cystein-Proteasen aufwies, ohne humanes Cathepsin L zu hemmen. Neben leishmanizider Aktivität weisen sowohl RV122C und RV212C als auch CS09 keine Toxizität an den eingesetzten Zelllinien auf. Daher erfolgte die Fokussierung auf Untersuchungen in Leishmania major zur detaillierten Aufklärung zellulärer Effekte in vitro und in vivo. Der ausgelöste Zelltot wurde als Apoptose-ähnlich charakterisiert, welcher durch unvollständige Verdaunung in Lysosom-ähnlichen Vakuolen hervorgerufen wurde. In-vivo-Untersuchungen im Mausmodell zeigten, dass es das Ziel sein muss, Inhibitoren mit Selektivität insbesondere für die Cathepsin-B-ähnliche LmajcatB zu entwickeln. Ausgehend von CS09 als neue Leitstuktur wurden verschiedene Variationen zur Strukturoptimierung vorgenommen, um im Anschluss Struktur-Wirkungs-Beziehungen ableiten zu können. Die Synthese erfolgte mittels Fragmentkupplung der zuvor stereoselektiv dargestellten Aziridin-Bausteine und der durch Standard-Peptidkupplungsreagenzien erhaltenen Aminosäure/Peptidbausteine. Die N-Acylierung wurde mittels des Kupplungsreagenzes PPA optimiert. Schließlich wurden die Verbindungen an den Cystein-Proteasen Cathepsin L, Cathepsin B, Cathepsin K, Cathepsin S, LmCPB2.8, LmajcatB, Rhodesain, Cruzain und Falcipain-2 auf ihre inhibitorische Aktivität getestet. Weiterhin wurden die Verbindungen im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs 630 auf ihre antiparasitäre Aktivität an Leishmanien, Trypanosomen und Plasmodien sowie auf ihre Cytotoxizität an der Makrophagenzelllinie J774.1 getestet. Vertreter dieser Serie erwiesen sich, ebenso wie CS09, als selektive Inhibitoren parasitärer, Cathepsin-L-ähnlicher Proteasen (LmCPB2.8, Rhodesain, Cruzain) und der Cathepsin-B-ähnlichen Protease (LmajcatB). Sehr gute Hemmung der Cathepsin-L-ähnlichen Protease LmCPB2.8 riefen Stereo- und Konstitutionsisomere von CS09 hervor, als auch Derivate, bei denen der Leucinrest gegen andere lipophile Reste mit ähnlichem oder größerem sterischen Anspruch substituiert ist. Die beste Inhibition des Cathepsin-B-ähnlichen Enzyms erfolgte durch Konstitutionsisomere von CS09 und durch Aziridinylpeptide, deren Prolinrest gegen einen Ornithin- oder einen Argininrest ersetzt wurde. Besonders hervor sticht CS25 (Boc-(S)-Ile-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), sich auszeichnend durch selektive Inhibition der LmajcatB (neben Cathepsin S) bei sehr guter leishmanizider Aktivität. Auch zeigen einige Vertreter selektive Hemmung von Rhodesain und/oder Cruzain. Mithilfe eines synthetisierten Aziridinylpeptids, welches bromierte Benzylesterreste trägt und sehr gute Hemmeigenschaften an parasitären Cystein-Proteasen aufweist (CS38), sollte die Kristallisation mit Rhodesain erfolgen, um die erste Röntgenstruktur eines Enzym-Aziridin-Inhibitor-Komplexes zu erhalten. Dieses Ziel konnte jedoch nicht realisiert werden. Aufgrund fehlender Röntgenstrukturen von Enzym-Inhibitor-Komplexen ist die Bindung der synthetisierten Inhibitoren noch immer spekulativ. Dockingstudien an Cruzain schlagen verschiedene Bindemodi vor, bei denen zwei von drei lipophilen Resten die hydrophoben S2- und S1´-Bindungstaschen adressieren. Die Mehrzahl der Aziridin-basierten Verbindungen konnte als leishmanizide und/oder trypanozide Verbindungen identifiziert werden. Mithilfe eines Biotin-markierten Derivats von RV122C (CS39) konnte durch active-site labeling nachgewiesen werden, dass Cystein-Proteasen von L.-major-Promastigoten die Targets des Inhibitors sind. Active-site-labeling und Untersuchungen durch Fluoreszenzaktivitätsassays mit L.-major-Promastigotenlysaten machten deutlich, dass bei Einsatz von RV122C und RV212C Cathepsin-B-ähnliche Proteasen beeinflusst werden. CS09 wies einen anderen Wirkmechanismus – ähnlich dem von E-64 – auf, wie Fluoreszenzaktivitätsassays zeigten. Hinsichtlich der Aufklärung dieser zellulären Effekte und zur Identifizierung weiterer möglicher Targets wurde ein Fluoreszenzfarbstoff-markierter Aziridin-Inhibitor (CS40) dargestellt. CS40 wies hervorragende Hemmeigenschaften an den isolierten Enzymen auf, war jedoch für In-vitro-Untersuchungen ungeeignet, da weder leishmanizide noch trypanozide Aktivität vorlagen. Durch antiplasmodiale Wirkung ist CS40 lediglich zu In-vitro-Studien an Plasmodien einsetzbar. Für In-vitro-Studien wurde zur Aufklärung des Wirkmechanismus der Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Inhibitoren der literaturbekannte, für Cathepsin-L-ähnliche Enzyme selektive, Epoxid-basierte Standardinhibitor CLIK-148 als Vergleichssubstanz dargestellt. Zum Beweis der Inaktivität des Diastereomers von CLIK-148 mit (R,R)-konfiguriertem Epoxidring wurde zudem das Derivat CS41 synthetisiert. Die Synthese hierzu erfolgte zunächst über die stereoselektive Darstellung der trans-konfigurierten Diethyloxiran-2,3-dicarboxylate, die nach Verseifung der Ethylesterfunktionen mittels Peptidkupplungsreagezien mit den entsprechenden Aminen gekuppelt wurden. Zur Ableitung der Struktur-Wirkungs-Beziehung von Michael-Akzeptor-basierten Verbindungen wurde die Leitstruktur 16a durch Variation der Konfigurationen sowie durch Substitution der Trityl-Schutzgruppe der Glutaminseitenkette durch sterisch weniger anspruchsvolle Schutzgruppen verändert. Die Synthese erfolgte ausgehend von der Darstellung des entsprechenden Dipeptids mit Methylesterschutzgruppen. Ausgehend davon wurden die Methylesterreste entweder mit DIBAL zum entsprechenden Aldehyd reduziert oder aus Gründen der Praktikabilität zum entsprechenden Alkohol reduziert, um anschließend in einer Swern-Oxidation den Aldehyd zu liefern. Die Aldehyde wurden im finalen Schritt in einer Masamune-Reaktion mit Triethylphosphonoacetat zu den vinylogen Dipeptidestern umgesetzt. Die Stereoisomere CS42 und CS43 mit Tritylresten an der Glutaminseitenkette sind unspezifische, starke Inhibitoren humaner und parasitärer Enzyme. In vitro zeigten sie starke Hemmung des Parasiten-Wachstums als auch Cytotoxizität an Makrophagen. Die Verbindungen ohne Tritylrest (CS44, CS45) erwiesen sich weder als Proteaseinhibitoren, noch in vitro als wirksam. Ferner wurden mit den synthetisierten Verbindungen in interdisziplinären Kooperationen weitere biologische Testungen durchgeführt. In Selektivitätsstudien an den Aspartat-Proteasen Plasmepsin II und IV erwiesen sich die getesteten trans-konfigurierten Aziridin-basierten Inhibitoren als inaktiv, während die Leitstruktur der Michael-Akzeptor-basierten Inhibitoren 16a sowie deren Distereomer CS42 (= 16b) als Inhibitoren von Plasmepsin IV identifiziert werden konnten. Weder in Testungen an Plasmodium berghei infizierten humanen Hepatomzellen in Leberstadien, noch im Blut-Hirn-Schrankenmodell einer Trypanosoma-brucei-gambiense-Infektion sowie im In-vitro-Screening an Trichomonas vaginalis zeigten die jeweils getesteten Verbindungen Aktivität. Allein die Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Cystein-Protease-Inhibitoren wiesen Wirksamkeit bezüglich des Wachstums von Schistosoma mansoni auf. In einem visuellen Phänotyp-Screening inhibierte eine Vielzahl der getesteten Verbidungen das Wachstum der jungen Form (Schistosomula), im zweiten Schritts des In-vitro-Screenings zeigte sich jedoch keine Verbindung aktiv an der adulten Form (Schistosomen) des Parasiten.…
• Protozoan parasites contain an abundance of cysteine proteases of the papain family (CAC1), which are essential for parasite growth, differentiation, pathogenicity and virulence. Therefore they are attractive targets for the development of new, affordable, alternative drugs, because current therapy for infectious diseases like leishmaniasis, African trypanosiasis, Chagas disease or malaria is suboptimal due to toxicity of available therapeutic agents and the emergence of drug resistence. Protease inhibitors have to be selective inactivators ofProtozoan parasites contain an abundance of cysteine proteases of the papain family (CAC1), which are essential for parasite growth, differentiation, pathogenicity and virulence. Therefore they are attractive targets for the development of new, affordable, alternative drugs, because current therapy for infectious diseases like leishmaniasis, African trypanosiasis, Chagas disease or malaria is suboptimal due to toxicity of available therapeutic agents and the emergence of drug resistence. Protease inhibitors have to be selective inactivators of parasitic proteases, while not affecting mammalian proteases in order to become an antiparasitic drug. The main goal of this work was the optimization of the aziridine based inhibitors RV122C (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) and RV212C (Boc-(R)-Leu-(S)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) and of the Michael acceptor based inhibitor 16a (Boc-(S)-Phg-(S)-vGln(Trt)-OEt), regarding their ability of selective inhibition of parasitic proteases. All synthesized substances are designed as irreversible, covalent, and competitive inhibitors, in which the aziridine ring and the Michael system represent electrophilic building blocks. The reaction of the electrophilic moieties with the nucleophilic thiolate of the active site results in the irreversible alkylation of the protease. The synthesized compounds were subsequently tested in fluorimetric or photometric enzyme assays, in some cases followed by further biological evaluation. The aziridines RV122C and RV212C could be identified as inhibitors of the cathepsin L subfamily. Starting from RV122C and RV212C as lead structures, a new series containing structural isomers, stereoisomers and derivatives with ethyl esters was synthesized. The most promising candidate of this series was CS09 (BOC-(S)-Leu-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), showing selective inhibition of the parasitic cysteine proteases, while not affecting mammalian cathepsin L. Besides antileishmanial activity, RV122C and RV212C as well as CS09 do not exhibit cytotoxicity against host cells. Therefore, in further investigations the mode of action of these inhibitors was characterized in Leishmania major. An apoptosis-like cell death was induced, which was caused by incomplete digestion in autophagy-related lysosome-like vacuoles. In vivo a mouse model of Leishmania infection showed, that the cathepsin-B-like enzyme LmajcatB should be targeted by the inhibitors in further investigations. Based on CS09 as a new lead structure, further derivatives were synthesized with structural modifications for structure-activity relationship (SAR) studies. The syntheses were achieved via fragment coupling of the prior stereoselectively synthesized aziridine-2,3-dicarboxylates with the appropriate aminoacids/peptids. PPA was used as coupling reagent of the N-acylation. Subsequently the compounds were tested for inhibition of cathepsin L, cathepsin B, cathepsin K, cathepsin S, LmCPB2.8, LmajcatB, rhodesain, cruzain and falcipain-2. Within the Collaborative Research Center 630 of the University of Würzburg the compounds were tested in regard of their antiparasitic activity and cytotoxicity. Compounds out of this series showed selective inhibition of parasitic cathepsin-L-like proteases (LmCPB2.8, rhodesain, cruzain) and cathepsin-B-like proteases (LmajcatB). Best inhibitors of LmCPB2.8 are the structural isomers and stereoisomers of CS09 and derivatives with other, sterically hindered, lipophilic moieties instead of the leucine moiety. LmajcatB was best inhibited by structural isomers of CS09 and by derivatives with ornithine or arginine moieties attached to the proline moiety. CS25 (Boc-(S)-Ile-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2) should be highlighted, because of selective inhibition of LmajcatB (besides Cathepsin S) and outstanding antileishmanial activity. Some compounds showed selective inhibition of rhodesain and/or cruzain. In order to obtain the first X-ray structure of an enzym-aziridine-inhibitor-complex, an aziridine-2,3-dicarboxylate-based inhibitor with brominated benzyl esters was synthesized (CS38). CS38 displayed excellent inhibition of cysteine proteases, but the cristallisation with rhodesain failed. Because of missing X-ray structure investigations, the binding mode of the aziridine-based inhibitors is still unclear. Docking studies suggested several binding modes, where three out of two lipophilic residues adress the hydrophobic S2 and the S1´ binding pockets. The majority of the aziridine based inhibitors could be identified as antileishmanial and/or antitrypanosomal agents. As shown by fluorescence proteinase activity assays and active-site labeling in lysates of promastigotes with the biotin-tagged derivate of RV122C, CS36, RV122C and RV212C both targeted leishmanial cathepsin-B-like LmajcatB. By contrast, CS09 caused a different outcome in fluorescence proteinase activity assays, similar to the outcome observed with E-64. With respect to elucidate further cellular effects and to determine potential further targets via fluorescence microscopy, an aziridine was labeled with a fluorescent dye (CS40). CS40 showed very good inhibition of the cysteine proteases, but was not usefull for in-vitro-investigations, because of missing antileishmanial and also antitrypanosomal activity. Because of antiplasmodial activity, CS40 can be used in vitro with Plasmodia. The literature known cathepsin-L-selective, oxirane-based inhibitor CLIK-148 was synthesized in order to use it in comparison to the aziridine-based inhibitors in vitro. The derivative of CLIK-148 with (R,R)-konfigured oxirane ring (CS41) was also synthesized. As expected from literature data, CS41 did not show inhibition of any enzyme tested. The trans-konfigured diethyl oxirane-2,3-dicarboxylates were stereoselectively synthesized and in the following steps after alkaline hydrolysis brought to reaction with the corresponding amines. To investigate SAR of Michael acceptor based inhibitors, the lead structure 16a was modified structurally. Synthesis started with preparing the methyl ester dipeptides via peptide coupling methods. Subsequently the aldehyds were synthesized either via DIBAL reduction directly to the aldehyde or via DIBAL reduction to the alcohol, followed by Swern oxidation to the corresponding aldehyde. The last step led to the products via a Masamune reaction with triethylphosphono acetate. Michael acceptors containing a trityl group in the side chain of the glutamine residue are strong and unspecific inhibitors of human and parasitic proteases (CS42, CS43). Furthermore they are active against parasites in vitro, but they are also cytotoxic. Michael acceptors containing a benzhydryl group or an isopropyl group instead of the trityl group didn´t show inhibitory potency against the enzymes tested and parasite growth (CS44, CS45). Further biological tests were performed with the synthesized compounds. In contrast to the Michael acceptor based compounds CS42 and CS43 non of the aziridine based inhibitors showed inhibition of the aspartic proteases plasmepsin II and IV. No activity could be detected in tests concerning liver-stage development of Plasmodium berghei, a model of a blood-brain barrier of infection with Trypanosoma brucei gambiense, nor in an in vitro screening with Trichomonas vaginalis. In a phenotypic screening with Schistosoma mansoni, aziridine-2,3-dicarboxylate-based inhibitors showed inhibition of the juvenile parasites (schistosomula). In the second step, they were screened in vitro against adult parasites, but no inhibitor was active in that assay.…