978-3-8439-2900-4 Design and Synthesis of Enantiopure Organometallic Kinase Inhibitors as Potential Chemotherapeutics
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Titel: Design and Synthesis of Enantiopure Organometallic Kinase Inhibitors as Potential Chemotherapeutics
Autor: Rajaratnam, Rajathees
Weitere Beteiligte: Meggers, Eric (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0892
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0892
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-08925
ISBN: 978-3-8439-2900-4
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): Design und Synthese von enantiomerenreinen Organometall-Kinaseinhibitoren als potentielle Chemotherapeutika

Dokument

Schlagwörter:
Kinasen, Übergangsmetall, Kinasen, Inhibitor, Übergangsmetall, Oktaeder, Enantiomerenrein, Kinase, Inhibitor, Transition Metal, Octahedron, Enantiopure

Summary:
The exploration of the structural scope of the octahedral coordination mode and investigations of defined structural isomers regarding their physico-chemical properties are of valuable interest for applications in the field of catalysis, materials sciences, and life sciences. The MEGGERS group established a variety of different transition metals as structural templates to gain access to highly potent and selective kinase inhibitors. During this effort, the effectiveness of metal complexes as kinase inhibitors with potential anticancer properties has repeatedly been proven in vitro as well as in vivo. The ambition to establish metals as structural templates led from initial half sandwich complexes to highly sophisticated octahedral complexes. In the current thesis, the challenge to selectively synthesise a desired enantiomer is presented highlighting the application of symmetric polydentate ligands and chiral polydentate ligands. As a first example, regarding the chemical and biological properties, an N-methyl-1,4,7-trithiacyclodecan-9-amine based ruthenium(II) complex, in context of S6 kinase 1 (S6K1) inhibition, is presented. Aberrant activation of S6K1 is found in many diseases, including diabetes, aging, and cancer. The presented ATP competitive organometallic kinase inhibitors were inspired by the pan-kinase inhibitor staurosporine, and specifically inhibit S6K1, and verify the strategy successfully applied previously to target other kinases. Furthermore, the obtained biochemical data demonstrate that the compounds inhibit S6K1 with an IC50 value in the low nanomolar range at 100 μM ATP. Moreover, the crystal structures of S6K1 bound to staurosporine, and two ruthenium(II) based inhibitors reveal that the compounds bind in the ATP binding site and exhibit S6K1-specific contacts, resulting in changes to the p-loop, aC helix, and aD helix compared to the staurosporine bound structure. In vitro assays reveal inhibited S6K phosphorylation in yeast cells. These cumulated biological studies demonstrate that potent, selective, and cell permeable metal based inhibitors can provide a scaffold for the future development of compounds with possible therapeutic applications. However, the so far presented complexes are racemic mixtures. Thus, to apply these compounds for the therapeutic use the pharmacologic and toxicological characterisation of each present structural isomer is obligatory. Therefore, the asymmetric synthesis of desired structural isomers of the metal based kinase inhibitors is highly favourable. Thus, controlling the metal centered relative stereochemistry represents the key to achieve this task. The application of a proline based chiral tridentate ligand to decisively influence the coordination sphere of an octahedral rhodium(III) complex is described as possible solution to face this issue. The mirror-like relationship of synthesised enantiomers and differences between diastereomers were investigated. Furthermore, the application of the established pyridocarbazole pharmacophore ligand as part of the organometallic complexes to obtain kinase inhibitors is demonstrated. Moreover, the importance of the relative stereochemistry at metal in chiral environments like biomolecules is highlighted by both, protein kinase profiling and competitive inhibition studies. The cumulated results confirm that the proline based enantiopure rhodium (III) complexes differ entirely in their selectivity and specificity despite their unmistakably mutual origin. The successful work using proline as a chiral building block inspired to implement other chiral amino acids into the ligand design. For this aim, a versatile set of amino acids were elaborated as starting points for the ligand synthesis. As highly functionalised building blocks, they offer the possibility to orient a particular functional group into a defined site of the enzyme pocket, overall predefined by the chirality at metal. However, the ambitious attempts were limited by the synthetic issues accompanying the implementation of primary amino acids into the ligand design due to steric effects influencing the yields. Nevertheless, the biological data evaluating the obtained complexes offered valuable hints for the future ligand scaffolds.

Zusammenfassung:
Die Erkundung des dreidimensionalen Raumes anhand der Strukturen, welche durch die oktaedrische Koordinationssphäre ermöglicht werden, führt zu Isomeren, deren physiko-chemische Eigenschaften für die Forschungsfelder der Katalyse, Materialwissenschaften und Lebenswissenschaften von besonderem Interesse sind. Der Arbeitskreis MEGGERS hat hierzu eine Vielzahl von unterschiedlichen Übergangsmetallen als Strukturtemplate etabliert, um Zugang zu hochpotenten, selektiven sowie strukturell hochdiversifizierten Kinaseinhibitoren zu erhalten. Im Zuge dieser Anstrengungen, wurden Kinaseinhibitoren entwickelt, deren anitcancerogene Wirkung mehrfach, sowohl in vitro als auch in vivo, belegt werden konnten. Hierbei führten die Ambitionen, Metalle als Strukturtemplate zu verwenden, über anfängliche Halbsandwich Komplexe zu hochdiversifizierten oktaedrischen Komplexen. In der vorliegenden Arbeit sollen insbesondere die Herausforderungen und die Umsetzung der selektiven Synthese von angestrebten Enantiomeren anhand von mehrzähnigen symmetrischen Liganden sowie anhand von mehrzähnigen chiralen Liganden verdeutlicht werden. Als Beispiel dient hierzu die Betrachtung der chemischen und biologischen Eigenschaften eines auf N methyl-1,4,7-trithiacyclodecan-9-amin basierenden Ruthenium(II) Komplexes, im Kontext der S6 Kinase 1 (S6K1) Inhibierung. Eine gestörte Aktivierung von S6K1 wird mit zahlreichen Erkrankungen wie z.B.: Diabetes, Krebs und Alterungsprozessen in Verbindung gebracht. Die vorgestellten ATP kompetitiven metallbasierten Inhibitoren sind von dem Pan-Kinaseinhibitor Staurosporin abgeleitet, doch inhibieren spezifisch S6K1. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ruthenium(II) basierten Verbindungen S6K1 mit einem IC50 Wert im nanomolaren Bereich inhibieren bei einer ATP Konzentration von 100 µM ATP. Zusätzlich konnte anhand der Kristallstrukturen von Staurosporin in S6K1 und von zwei Metall-komplexen in S6K1, die Bildung von S6K1 spezifischen Kontakten, welche im Falle der metallbasierten Inhibitoren im Vergleich zu Staurosporine zu Änderungen in der p Schleife, der aC Helix und der aD Helix führen, gezeigt werden. In vitro Untersuchungen zeigten eine inhibierte S6K Phosphorylierung in Hefe Zellen. Die Gesamtheit der Studien zeigen, dass potente, selektive sowie zellpermeable metallbasierte Inhibitoren eine Grundstruktur für die Entwicklung von potentiellen Chemotherapeutika bereit halten. Zu beachten ist, dass die hierbei gezeigten Komplexe in racemischer Form vorliegen. Um diese Verbindungen in der Therapie einsetzen zu können, müssen somit auch die pharmakologischen und die toxikologischen Eigenschaften beider Isomere charakterisiert und miteinander verglichen werden. In diesem Zusammenhang ist die asymmetrische Darstellung eines gewünschten Isomers eines metallbasierten Inhibitors sehr erstrebenswert. Daher stellt die Kontrolle der relativen und absoluten metallzentrierten Stereochemie eine Schlüsselaufgabe zur Realisierung dieses Zieles dar. Die Anwendung von prolinbasierten dreizähnigen Liganden zur entschiedenen Beeinflussung der Koordinationsphäre von Rhodium(III) Komplexen wird daraufhin als mögliche Lösung dieser Herausforderung diskutiert. Die spiegelbildliche Beziehung der synthetisierten Enantiomere und die Unterschiede zu den entsprechenden Diastereomeren werden durchleuchtet. Zudem wird die Anwendung des etablierten Pyridocarbazole Pharmakophorliganden als Teil des metallbasierten Komplexes zur Darstellung von Kinaseinhibitoren demonstriert. Darüber hinaus, wird die enorme Bedeutung der relativen Stereochemie am Metallzentrum bei der Wechselwirkung mit chiralen Umgebungen wie Biomoleküle durch Kinase Profiling Untersuchungen und kompetitiven Inhibitionsstudien verdeutlicht. Die gesammelten Daten bestätigen, dass die unterschiedlichen Rhodium(III) Isomere sich gänzlich in Ihrer Selektivität und Spezifität unterscheiden, trotz eines eindeutig gemeinsamen Ursprungs. Die erfolgreichen Arbeiten mit der Verwendung von Prolin als Gerüstbaustein inspirierte folgerichtig zu dem Einsatz weiterer Aminosäuren im Ligandendesign. Hierzu wurde eine vielseitige Auswahl an Aminosäuren als Ausgangspunkt für die Ligandensynthese erarbeitet. Die Arbeiten mit primären Aminosäuren zeigten deren Potential zur Eröffnung von hochdiversifizierten oktaedrischen Komplexen. Als hochfunktionalisierte Gerüstbausteine ermöglichen sie die Positionierung von funktionellen Gruppen in bestimmte Raumrichtungen einer Enzymtasche, welche durch die Chiralität am Metall vorgegeben wird. Jedoch wird dieses ambitionierte Ziel durch synthetische Schwierigkeiten bei der Koordination von aminosäurenbasierten Liganden, begründet in sterischen Effekten und den reduzierten Ausbeuten, limitiert. Nichtsdestotrotz, eröffnen die erhaltenen Daten wichtige Erkenntnisse für das zukünftige Ligandendesign.


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