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Design, Synthese und Optimierung von GSK-3-Inhibitoren und ihre Evaluation in Modellen der Alzheimer-Demenz

Lo Monte, Fabio :
Design, Synthese und Optimierung von GSK-3-Inhibitoren und ihre Evaluation in Modellen der Alzheimer-Demenz.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design, Synthese und Optimierung von GSK-3-Inhibitoren und ihre Evaluation in Modellen der Alzheimer-Demenz
Language: German
Abstract:

Die Alzheimer-Demenz (AD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, welche mit Symptomen wie Gedächtnisverlust, Desorientiertheit und Verfolgungswahn einhergeht. AD ist die häufigste Form der Demenz und eine endgültige Diagnose kann bisher nur post mortem gestellt werden. Die Amyloid-Plaques, welche aus Polymeren des Amyloid-β-Peptides (Aβ) bestehen, und die Neurofibrillenbündel (neurofibrillary tangles, NFTs), Ablagerungen des hyperphosphorylierten und Mikrotubuli-assoziierten Tau-Proteins, sind die charakteristischen Kennzeichen der AD. Die Bildung von Amyloid-Plaques beginnt mit dem Abbau des Amyloid-Vorläuferproteins. Aβ-Peptide können in verschiedenen Längen vorkommen (38-43 Aminosäuren), wobei das dominierende Molekül das Aβ40-Peptid ist. Es macht ca. 80-90% aller Aβ-Peptide aus, gefolgt von Aβ42 mit einem Anteil von 5-10%. Aβ42 aggregiert bereitwillig und bildet den Ausgangspunkt für größere Oligomere, Fibrillen und letztlich den Amyloid-Plaques. Tau dient der Stabilisierung von Mikrotubuli, wodurch der axonale Transport und die Struktur der Neuronen gesichert wird. Eine Hyperphosphorylierung des Tau-Proteins verringert die Bindung von Tau an Mikrotubuli, wodurch es zur Aggregation und zur Bildung von NFTs kommt. GSK-3 ist eine Serin/Threonin PK und wurde vor mehr als 30 Jahren entdeckt. Lange Zeit galt sie als fest verknüpft mit dem Glykogenstoffwechsel und damit einhergehend mit der Phosphorylierung und Inaktivierung des Enzyms Glykogensynthase. Heute jedoch ist bekannt, dass GSK-3 eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Funktionen des menschlichen Organismus einnimmt, wie z.B. in der Zellteilung, der Apoptose, der Proteinsynthese und der Mikrotubuli-Dynamik. Diese Tatsache macht GSK-3 zu einem interessanten Target für die Entwicklung von Medikamenten. Zwei Isoformen von GSK-3, GSK-3α und GSK-3β, werden in Säugetierzellen ubiquitär exprimiert. Innerhalb ihrer Kinasedomäne sind beide Isoformen zu 98% identisch. Die Amyloid-Plaques und die NFTs werden mit GSK-3 in Verbindung gebracht. GSK-3α und GSK-3β haben in vitro und in vivo gezeigt, dass sie fähig sind eine Hyperphosphorylierung von Tau zu verursachen. Der Hauptteil aller publizierten Inhibitoren ist ATP-kompetitiv und konkurriert direkt mit ATP um die ATP-Bindestelle. Alle ATP-kompetitiven Inhibitoren, die im Bereich der AD veröffentlicht wurden, weisen auch eine Aktivität gegenüber anderen Kinasen auf. Dieses Selektivitätsproblem birgt viele Risiken in der Wirkstoffsuche, da ungewünschte Nebenwirkungen auftreten können. Aufgrund der hohen strukturellen Ähnlichkeit der ATP-Bindestelle in GSK-3α und GSK-3β wurde bisher noch kein Inhibitor publiziert, der effizient zwischen diesen zwei Isoformen differenzieren kann. Durch dieses Selektivitätsproblem können Nebenwirkungen auftreten, die den Einsatz dieser Verbindungen zu risikoreich machen würden. Aufgrund dessen sollte mit Hilfe des molekularen Dockings und der Struktur-Aktivitäts-Beziehung untersucht werden, ob die Synthese selektiver Inhibitoren möglich ist. Mit Hilfe dieser Daten konnte ein vereinfachtes Schema der ATP-Bindungstasche angefertigt werden, in dem relevante Bindungsbereiche für GSK-3-Inhibitoren markiert wurden. Diese Strategie diente der Synthese neuer Verbindungen, die das Oxadiazol-Grundgerüst als Ausgangspunkt hatten. Auf diese Weise gelang die Herstellung zahlreicher biphenylischer Systeme, die nanomolare Aktivitäten gegenüber GSK3α und GSK-3β aufweisen konnten. Diese GSK-3-Inhibitoren zeigten gegenüber anderen Kinasen keine bzw. geringe Aktivität und konnten auch im Wildtyp-Zebrafisch-Embryo, einem etablierten Tiermodel für GSK-3–Inhibitoren, sehr gute Ergebnisse erzielen. Durch die Variation des Substitutionsmusters am biphenylischen System konnte darüber hinaus die bisher höchste Selektivität für eine GSK-3-Isoform erzielt werden. Die beste Verbindung dieser Serie war 92-fach selektiver für GSK-3α gegenüber GSK-3β.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Alzheimer´s disease (AD) is a neurodegenerative disorder defined by progressive memory loss and cognitive impairment. AD is the most common dementia at old age. The definite diagnosis is possible postmortem only. AD is characterized by the presence of two abnormal protein deposits: Amyloid plaques composed of extracellular deposits of β-amyloid (Aβ) peptides, and neurofibrillary tangles (NFTs) formed by the accumulation of insoluble and hyperphosphorylated tau. The 40-42 amino-acid β-amyloid peptide is the major component of the amyloid deposits. It is produced from a larger protein, the amyloid precursor protein, by proteolytic cleavage. Tau is a soluble microtubule-binding protein, which stabilizes the microtubules in axons. Hyperphosphorylation of tau protein causes destabilization of microtubules and subsequent dissociation of tau, which in turn aggregates to form NFTs. Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3) is a serine/threonine protein kinase that participates in a plethora of cellular processes, e.g. cell proliferation, microtubule dynamics and gene transcription. Several studies have linked GSK-3 to the primary abnormalities associated with AD; particularly the phosphorylation of tau. Two related isoforms of GSK-3 exist in mammals, GSK-3α and β, which share 98% homology in their catalytic domains and have similar biochemical properties. Considering the homology of GSK-3α and β within the ATP-binding pocket it appears difficult to identify an inhibitor that differentiates the two isoforms. All GSK-3 inhibitors developed until now are able to inhibit the two isoforms with almost similar potency. A plethora of GSK-3 inhibitors has been described and most of the effects were observed in vitro and cellular studies. These studies and the ongoing patent filing indicate that GSK-3 is a potential drug target not just for the treatment of AD. Inhibition of GSK-3 by selective inhibitors with excellent pharmacokinetic properties and blood-brain barrier permeation holds high potential for the treatment of AD. Nevertheless, there is no clinically approved GSK-3 inhibitor. Based on a simplified scheme of known and important interactions of GSK-3 inhibitors with the ATP binding pocket we generated hypotheses for improved interaction of with this site. An appropriate decoration resulted in a more extended occupation of the ATP binding site. The most potent inhibitors displayed IC50 values in the low nanomolar range and good kinase selectivity. Noteworthy, several compounds showed the highest GSK-3α selectivity reported so far. The contribution of GSK-3α and GSK-3β to the pathology of Alzheimer’s disease is still subject of an ongoing debate. Thus, the identification of potent GSK-3α-selective inhibitors, endowed with favorable pharmacokinetic properties, may elucidate the effect of GSK-3α inhibition in AD models. Therefore, these compounds may be useful tools and starting points for the synthesis of GSK-3α selective inhibitors with enhanced pharmacokinetic properties. The GSK-3 inhibitors were further profiled for efficacy and toxicity in the wild-type (wt) zebrafish embryo assay, which is an established model system for the validation of GSK-3 inhibitors.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie > Organische Chemie
Date Deposited: 14 Jun 2012 08:23
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30020
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schmidt, Prof. Dr. Boris and Kolmar, Prof. Dr. Harald and Rauh, Prof. Dr. Daniel
Refereed: 21 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3002
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