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Titel:Strukturbasiertes Design und Synthese von Pyrrolidinen als Inhibitoren der HIV-1-Protease
Autor:Blum, Andreas
Weitere Beteiligte: Diederich, Wibke E. (Dr.)
Veröffentlicht:2007
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2008/0082
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2008-00826
DOI: https://doi.org/10.17192/z2008.0082
DDC:540 Chemie
Titel(trans.):Structure-Based Design and Synthesis of Pyrrolidines as HIV-1 Protease Inhibitors
Publikationsdatum:2008-02-20
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
HIV protease, Arzneimitteldesign, Pyrrolidinderivate, Organische Synthese, HIV-Proteaseinhibitor, Structure-based inhibitor design, Pyrrolidines, Strukturbasiertes Wirkstoffdesign

Zusammenfassung:
Im Verlauf dieser Arbeit konnte ausgehend von der Kokristallstruktur eines Inhibitors im Komplex mit der HIV-1-Protease ein neues Grundgerüst für HIV-Protease-Inhibitoren, basierend auf einem Pyrrolidin-System, entwickelt werden. Mit Hilfe eines Chiral-Pool Ansatzes konnte die enantioselektive Synthese des funktionalisierten 3,4-disubstituierten Pyrrolidin-Grundkörpers aus L-(+)- und D-(-)-Weinsäure realisiert werden. Ausgehend von den zentralen Pyrrolidin-3,4-diol-Bausteinen konnten erste Inhibitoren synthetisiert und die Synthese des analogen 3S,4S-Diamino-pyrrolidins über das entsprechende Diazid mittels einer BOC-Schutzgruppenstrategie optimiert werden. Erst der Zugang zu diesem zentralen Baustein ermöglichte eine weitere Dekoration des Grundgerüstes. Die Verwendung von Arylsulfonamiden als Akzeptorfunktionen erlaubte die Einführung weiterer Substituenten am Sulfonamid-Stickstoff. Durch N-Alkylierung mit reaktiven Elektrophilen wie Benzyl- oder Allylbromiden und anschließender Entschützung des Pyrrolidin-Stickstoffs konnten so Verbindungen erhalten werden, die vier Reste zur Adressierung der Subtaschen der Protease besitzen. Die Möglichkeit, diese Reste in den letzten Stufen der Synthese einzuführen, erlaubte die gezielte Variation der Seitenketten. Durch die Darstellung der Zielstrukturen in enantiomerenreiner Form war eine eindeutige Interpretation der biologischen Messdaten möglich, so dass eine Bindungshypothese erarbeitet werden konnte. Nur aufgrund der zuvor entwickelten Synthesestrategie war es möglich, ausgehend von Struktur-Wirkungs-Beziehungen und Röntgenstrukturdaten die anfänglichen Inhibitoren zu optimieren. Die erste Reihe von Inhibitoren zeigte Affinität gegenüber der HIV-Protease im mikromolaren Bereich und ebnete den Weg zur Entwicklung einer ersten Struktur-Wirkungs-Beziehung und einer daraus abgeleiteten Bindungshypothese. Die Inhibitoren weisen zum größten Teil nur eine schwache Aktivität gegenüber der Protease auf. Eine Verbindung zeigt jedoch mit 18 µM eine für ihre Größe sehr gute Affinität. Die Ausstattung mit zwei Benzyl-Resten als Substituenten wurde als Grundstruktur für die Entwicklung der späteren Inhibitoren übernommen. Ausgehend von 3S,4S-Diamino-pyrrolidin konnte über Kondensation zum Benzolsulfonamid, N-Alkylierung mit Benzylbromid und Entschützung ein erster Inhibitor synthetisiert werden, der vier Spezifitätstaschen adressiert. Die Affinität gegenüber der HIV-Protease konnte im Vergleich zum besten Inhibitor der Diester-Serie deutlich gesteigert werden. Die Analyse der Kokristallstruktur dieser Verbindung im Komplex mit der HIV-Protease ermöglichte nun die weitere, gezielte Verbesserung der Inhibitoren. Als Strategie zur Optimierung wurden Substitutionen an den aromatischen Ringsystemen ausgewählt. Die daraus hervorgegangenen Inhibitoren der zweiten Generation zeigten alle samt eine deutlich bessere Affinität gegenüber der HIV-Protease als die der ersten Generation. Durch Analyse der Kokristallstrukturen von ausgewählten Vertretern der zweiten Generation von Inhibitoren und dem Vergleich mit der Ausgangsstruktur konnte gezeigt werden, dass der Bindungsmodus dieser optimierten Inhibitoren analog dem der Ausgangsverbindung ist und die Verbesserung der Affinität der zusätzlich substituierten Inhibitoren durch die vorhergesagten Wechselwirkungen verursacht wird. Ausgehend von den Strukturen der einfach substituierten Inhibitoren wurde die beste Kombination an Substituenten zur Darstellung von Inhibitoren der dritten Generation ausgewählt. Die entsprechende Kombination führte zur Steigerung der Affinität bis in den zweistellig nanomolaren Bereich. Die Röntgenstruktur zeigte einen Bindungsmodus, der vergleichbar mit dem der entsprechend substituierten Ausgangsverbindungen ist. Die synthetisierten Inhibitoren wurden ebenfalls auf ihre Aktivität gegenüber Mutanten der HIV-Protease getestet und zeigten dort ein neuartiges Aktivitätsprofil. Die Mutation von Isoleucin 84 zu Valin, die unter der Therapie mit allen bisher zugelassenen HIV-Proteasehemmern beobachtet wird, senkt die Affinität dieser Inhibitoren drastisch. Die im Zuge dieser Arbeit entwickelten Inhibitoren zeigen eine deutlich höhere Aktivität gegenüber dieser Punktmutante der Protease. In dieser Arbeit konnte eine enantioselektive Synthese von 3,4-disubstituierten Pyrrolidinen entwickelt und etabliert werden. Durch strukturbasiertes Design und röntgenkristallographische Analyse der strukturellen Veränderung durch die eingeführten Substitutionen konnte die Affinität der Verbindungen gegenüber der HIV-Protease in einem iterativen Prozess bis in den zweistellig nanomolaren Bereich gesteigert werden. Die Verbindungen zeigten einen neuartigen Bindungsmodus und ein von peptidomimetischen Hemmstoffen abweichendes Aktivitätsprofil. Insbesondere ist die bis zu einstellig nanomolare Affinität der Verbindungen gegenüber der I84V-Mutante der Protease hier hervorzuheben.

Summary:
A novel scaffold for HIV protease inhibitors based on a pyrrolidine core was developed using the co-crystal structure of a previously designed inhibitor in complex with the HIV-1 protease. The enantioselective preparation of 3,4-disubstituted pyrrolidines could be accomplished via a chiral-pool approach employing L-(+)- and D-(-)-tartaric acids as starting materials. On the basis of 3,4-pyrrolidine-diol as core structure, several diesters were prepared as a first series of inhibitors. The synthesis of 3S,4S-diamino-pyrrolidine via the corresponding diazide was optimized using a BOC-protection strategy. The facile and straightforward synthesis of this core structure gave way to the further decoration of the scaffold. Utilization of arylsulphonamides as H-bond acceptor groups allowed the further introduction of substituents at the sulphonamid nitrogen. Hence, N-alkylation with reactive electrophiles like benzyl as well as allyl bromides followed by deprotection of the pyrrolidine nitrogen furnished compounds equipped with four substituents suitable to address the specificity pockets of the enzyme. The opportunity to introduce these moieties during the last steps of the synthesis enabled us to selectively vary the respective residues. Due to the enantioselective inhibitor synthesis employed, the unambiguous interpretation of the biological activity obtained for every tested inhibitor was possible. Usage of an optimized synthetic strategy as well as the obtained structure-activity relationship allowed the further optimization of the inhibitors. The first series of inhibitors only showed affinity in the micromolar range against the HIV protease, but nevertheless yielded a first structure-activity relationship thus enabling us to postulate a putative binding mode. Although most inhibitors in this series only showed rather weak binding affinities, it is remarkable that one representative out of these inhibitors exhibited an affinity of 18 µM, which is striking for such a small molecule. Decoration of the pyrrolidine core with two benzyl moieties served as the starting point for the further development of putative inhibitors. Starting from 3S,4S-diamino-pyrrolidine, condensation with benzene sulphonamide and subsequent alkylation with benzyl bromide yielded, after N-deprotection, the first inhibitor. The affinity of this compound was significantly better than the best representative of the first inhibitor series. The analysis of the obtained co-crystal structure in complex with the protease allowed the further structure-based optimization of this class of inhibitors. Further substitution at the aromatic ring substituents in ortho or para position was chosen as optimization strategy. The resulting inhibitors of the 2nd generation all exhibited a considerably higher affinity compared to the previous lead compound. Analysis of several co-crystal structures and comparison with the initial crystal structure revealed a conserved binding mode and proved the higher affinity being a consequence of the predicted interactions. Based on the crystal structures and the affinity data, the best combination of substituents was selected for the synthesis of the 3rd generation of inhibitors. The corresponding inhibitors exhibited affinities up to the two-digit nanomolar range. The determination of the crystal-structures in complex with the enzyme showed a binding mode comparable to those of similarly substituted representatives of the 2nd generation. The inhibitors were also tested against mutant variants of the HIV protease and showed a intriguing activity-profile. The mutation of Isoleucin 84 to Valine, which is observed during antiviral chemotherapy with approved HIV protease inhibitors, dramatically reduces the affinity and clinical efficacy of all approved protease inhibitors. Remarkably, the pyrrolidine-based inhibitors even show an improved potency against this mutant in comparison to the wild-type. This phenomenon can easily be explained on a structural basis: The pyrrolidine-based inhibitors address the enzyme’s S1 and S1’ specificity pockets differently in comparison to peptidomimetic inhibitors, thus resulting in additional van der Waals contacts, additional polar interactions, and a better surface match.


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