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Titel: Synthese und biologische Testung von Biarylalkylcarbonsäure-Derivaten und Dithiocarbamat-Derivaten als potentielle anthelmintische Wirkstoffe gegen Schistosoma mansoni
Autor: Mäder, Patrick
Weitere Beteiligte: Schlitzer, Martin (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0231
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0231
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-02312
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Synthesis and biological evaluation of biarylalkyl carboxylic acids and dithiocarbamates as novel anthelminthics against schistosoma mansoni

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Schlagwörter:
Pharmazeutische Chemie, Parasit, Chemische Synthese, Organische Chemie, Schistosomiasis, Anthelmintika, Schistosomiasis, Anthelmintics,

Zusammenfassung:
Vernachlässigte Tropenerkrankungen beschreiben eine Gruppe von Infektionskrankheiten, welche mehr als 1,5 Milliarden Menschen betreffen und für schätzungsweise 550.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich sind. Ein enormer Teil dieser Erkrankungen wird durch Helminthen ausgelöst, wobei die durch Schistosoma spp. ausgelöste Schistosomiasis den größten Teil darstellt. Mit Praziquantel und Oxamniquin, welches nur gegen S. mansoni wirksam ist, stehen nur zwei Wirkstoffe zur Bekämpfung der Schistosomiasis zur Verfügung. Beide Wirkstoffe werden seit Jahrzehnten teils exzessiv eingesetzt. Erste Anzeichen für eine Resistenzentwicklung wurden bereits beobachtet. Die Entwicklung neuer antischistosomaler Wirkstoffe ist daher dringend notwendig. Basierend auf einer initial getesteten Serie wurde die Substanzklasse der Biarylalkylcarbonsäure Derivate als antischistosomale Wirkstoffe etabliert. In einer ersten Optimierungsserie wurde der Einfluss des Substitutionsmusters des terminalen Phenyl Rings untersucht, wobei die Einführung eines Hydroxy Substituenten in Position 3 des terminalen Phenyl Rings einen Anstieg der Aktivität zur Folge hatte. Neue phänotypische Effekte konnten beobachtet werden. In der zweiten Optimierungsserie wurde die Carbonsäure funktionalisiert. Die entsprechenden Carbonsäureamide zeigten eine gesteigerte antischistosomale Aktivität. Abschließend wurden die besten Substituenten jeder Serie miteinander kombiniert. Bis zu Konzentrationen von 25 µM kam es neben dem Auftreten mehrerer phänotypischer Effekte zu einem starken Anstieg der antischistosomalen Aktivität mit letalen Effekten. Die besten Derivate der Verbindungsklasse zeigen bis zu einer Konzentration von 10 µM eine deutliche antischistosomale Wirkung und weisen ein günstiges zytotoxisches Profil auf. Basierend auf der Grundstruktur des Disulfirams wurde die Substanzklasse der Dithiocarbamat Derivate als antischistosomale Wirkstoffe etabliert. Zunächst wurden Derivate mit veränderten Substituenten am Schwefel des Dithiocarbamats dargestellt. Dabei zeigte sich, dass vor allem die Einführung elektronenarmer, substituierter Benzylreste am Schwefel des Dithiocarbamats einen deutlichen Anstieg der antischistosomalen Aktivität zur Folge hatte. Es wurden insgesamt 73 Derivate dargestellt und in vitro getestet. Dabei wurden sieben Substituenten gefunden, deren Einführung eine Wirksamkeit bei einer Konzentration von 10 µM zur Folge hatte. Drei der besten sieben Derivate waren zudem bei 5 µM wirksam und somit der Wirksamkeit von Praziquantel ebenbürtig, wobei neuartige Phänotypen beobachtet wurden. Im Anschluss daran wurde der Einfluss des Substituenten am Stickstoff des Dithiocarbamats überprüft. Weitere 45 Derivate wurden dargestellt und in vitro getestet. Durch die Einführung eines (substituierten) Piperazin Strukturelements konnten neue Substitutionsmuster gefunden werden, deren Einführung ebenfalls einen Anstieg der antischistosomalen Aktivität zur Folge hatte. 49 kombinatorischen Derivate mit den jeweils sieben wirksamsten Substituenten am Schwefel beziehungsweise am Stickstoff des Dithiocarbamats wurden im Anschluss dargestellt und in vitro getestet. Sechs der 49 Verbindungen sind bei einer Konzentration von 5 µM aktiv und somit in vitro genauso wirksam wie Praziquantel. Ein Derivat zeigt auch bei einer Konzentration von 1 µM eine sehr gute antischistosomale Aktivität und ist somit um den Faktor 5 wirksamer als Praziquantel. In einer abschließenden Optimierungsserie wurden die antischistosomale Aktivität sowie das zytotoxische Profil der Substanzklasse der Dithiocarbamate weiter verbessert. Vor allem die Piperazinsulfonamid Derivate zeigen eine sehr gute antischistosomale Aktivität mit vielversprechenden Phänotypen. Zudem zeichnen die aufgetretenen letalen Effekte bei niedrigen mikromolaren Konzentrationen diese Substanzgruppe aus. Zwei der Sulfonamid Derivate sind ebenfalls um den Faktor 5 wirksamer als Praziquantel. Aus den über 300 dargestellten Dithiocarbamat Derivaten gingen 35 Verbindungen hervor, die bei einer Konzentration von 5 µM oder niedriger gut bis sehr gut wirksam waren und eine teils deutlich verbesserte antischistosomale Aktivität zeigten. Am Ende dieser Arbeit stellt eine Verbindung (Schl32329) das beste Derivat dieser Verbindungsklasse dar. Das Derivat zeigte bis zu einer Konzentration von 1 µM eine sehr gute antischistosomale Aktivität mit multiplen Phänotypen sowie einem letalen Effekt nach 72 Stunden. Zudem zeigte die Verbindung in beiden Zelllinien bei der höchsten gemessenen Konzentration von 100 µM keine zytotoxischen Effekte und weist damit einen Selektivitätsindex ≥ 100 auf. Die multiplen Effekte der Verbindungen lassen darauf schließen, dass eine Wirkung auf verschiedene Zielstrukturen anzunehmen ist. Zudem können beide Verbindungsklassen noch umfassend modifiziert werden, um weitere potentielle Wirkstoff Kandidaten für die Bekämpfung der Schistosomiasis bereit zu stellen.

Summary:
Schistosomiasis is one of the most prevalent parasitic infections worldwide, affecting over 240 million people in the tropics and subtropics, while over 780 million people are at risk of infection. The disease is usually caused by one of three schistosome species mainly affecting human: S. japonicum, S. mansoni and S. haematobium. Since the 1980s, Praziquantel is the drug of choice for the treatment of schistosomiasis, because it is orally effective against all schistosome species with a one time treatment. However, the long-term utilization of one drug may result in drug-resistant parasites. Importantly, decreased susceptibility of S. mansoni and S. haematobium to Praziquantel has already been observed. Thus, there is an urgent need to develop novel antischistosomal compounds. Based on an initially tested series of compounds the substance class of biarylalkyl carboxylic acid derivatives was established as antischistosomal agents. In a first optimization series, the influence of the substitution pattern of the terminal phenyl ring was investigated. Introduction of a hydroxy substituent in position 3 of the terminal phenyl ring resulted in an increase of activity. New phenotypes were observed. In a second series, the influence of the chain length of the linker as well as the need of the carbonyl group in the linker was examined. Initial results indicated that the extension of the linker to a methylene unit resulted in a slight increase in activity. In the third optimization series, the carboxylic acid was functionalized. Improvement of activity was observed for the carboxamides. Combination of the most active residues resulted in a strong increase in activity and observation of new promising phenotypes. The efficacy against S. mansoni in vitro and the absence of toxicity make this class of compounds promising antischistosomal agents for future investigation. Based on the structure of disulfiram the substance class of dithiocarbamate derivatives was established as antischistosomal agents. First derivatives were synthesized with altered substituents of the sulfur of the dithiocarbamate. Especially the introduction of electron-poor, substituted benzyl residues at the sulfur of the dithiocarbamate resulted in a significant increase of activity. A total of 73 derivatives were synthesized. In this case, seven substituents have been found, and their introduction resulted in seven compounds with an activity up to a concentration of 10 µM. Three of the best seven derivatives showed also an activity at 5 µM. In vitro, these compounds are as effective as PZQ and revealing novel phenotypes. Following this, the influence of the substitution pattern at the nitrogen of the dithiocarbamate was investigated. Another 45 derivatives were synthesized. The introduction of (substituted) piperazine residues leading to an increase of activity. Imidazole-1-carbodithionates were also established as another promising class of compounds. A total of six imidazole derivatives are as effective as PZQ and revealed promising phenotypes. A total of 49 combinatorial derivatives were synthesized with the seven most effective substituents at the sulfur or the nitrogen of the dithiocarbamate. Six of these compounds were active at 5 µM, thus being as effective as PZQ again. Even at 1 µM, one of the derivatives exhibited clear antischistosomal activity. In a final optimization series the antischistosomal activity and the cytotoxic profile of the substance class of the dithiocarbamates were further improved. Especially the piperazinesulfonamide derivatives revealed a very good antischistosomal activity with promising phenotypes. Lethal effects occurred at low micromolar concentrations, which is a feature of this class of compounds. Two of the sulfonamide derivatives were also five times as effective as PZQ in vitro. All together, more than 300 dithiocarbamate derivatives were synthesized. By studies with adult schistosomes in an established in vitro model, 35 were selected which were effective against the worms at a concentration of 5 µM each or lower. Under the applied laboratory conditions, these compounds showed a significantly improved antischistosomal activity compared with PZQ. First structure activity relationships were also established. Multiple phenotypes were recorded. This suggested an effect of the compounds on one target molecule, which may be involved in different physiological processes, or different molecules organizing these processes. In either case this is very attractive with respect to applied aspects. Provided that different targets are hit by one single compound, or even a compound mix, this will significantly reduce the probability of resistance development because in that case more than one mutation has to occur at the same time under selection pressure. In addition, both classes of compounds may be modified extensively to provide other potential drug candidates for fighting schistosomiasis.


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