Design and synthesis of selective FKBP51 inhibitors / Entwurf und Synthese selektiver FKBP51-Inhibitoren

There is a growing body of evidence supporting a connection between the FK506-binding protein 51 (FBP51) and stress-related disorders. Hence, pharmacological modulation of FKBP51 holds promise for unlocking novel therapeutical options for anxiety, depression, chronic pain, and metabolic diseases. However, the opposite biological effects of FKBP51 and its close homolog FKBP52, underscore the importance of achieving selectivity. A first solution to this challenge was found with the discovery of SAFit1 and SAFit2, the first selective inhibitors for FKBP51. In recent years, SAFit2 has been extensively used in several animal models, establishing itself as the gold standard for selective FKBP51 inhibition in vivo. However, SAFit2, with its high lipophilicity (cLogP = 6.59), substantial size (802 g/mol), low ligand efficiency (LE = 0.19), and poor pharmacokinetic properties, requires further optimization. This thesis presents two different approaches to improve the drug likeness of SAFit-like analogues. In the first half of the thesis, potential pipecolic ester moiety replacements were systematically explored, with the specific aims of reducing the molecular weight and improving the ligand efficiency of SAFit-like analogues. In the SAR study, based on a benzyl group as a minimum requirement for binding to FKBP51, scaffold hopping was initially performed and eventually led to a series of 1,4-pyrazolyl-containing analogues. The best compound of the series, 45d (Ki =77 nM), was selected over other analogues, based on its superior profile (MW = 541.7 g/mol, cLogP = 3.72, LE = 0.25). Cocrystal structure analysis of the novel SAFit-like analogues provided insights into the preferred binding mode associated with 1,4- and 1,3,4- pyrazoles versus to the 1,4,5 arrangement. In the second half of the thesis, macrocyclization was chosen as a strategy to overcome the drawbacks associated with SAFit2. Toward this, a novel class of 1,2,3 triazole-bridged macrocycles was designed, building upon previous findings reported by our group. The SAR study began with the identification of the ideal linker length, the preferred attachment points for macrocyclization, and the most suitable 1,4-triazole orientation. Finally, linker derivatization led to the discovery of the best compound of series, 117p, which exhibits a binding affinity of 23 nM for FKBP51 and a remarkable activity for intracellular target occupancy (IC50 =251 nM). Cocrystal structure analysis of the newly synthesized analogues revealed that the preferred binding conformation can be fine-tuned through the chemical manipulation of the linker. Overall, both approaches proved successful, suggesting the smaller ester replacement analogue 45d and the 1,2,3 triazole-containing macrocycle 117p as promising starting point for further optimization.

Es gibt immer mehr Belege für einen Zusammenhang zwischen dem FK506-bindenden Protein 51 (FBP51) und stressbedingten Störungen. Eine pharmakologische Modulation von FKBP51 verspricht daher neue therapeutische Optionen für Angstzustände, Depressionen, chronische Schmerzen und Stoffwechselkrankheiten. Die gegensätzlichen biologische Wirkungen von FKBP51 und seinem nahen Homologen FKBP52 machen jedoch deutlich, wie wichtig es ist, Selektivität zu erreichen. Eine erste Lösung für diese Herausforderung wurde mit der Entdeckung von SAFit1 und SAFit2 gefunden, den ersten selektiven Hemmstoffen für FKBP51. In den letzten Jahren wurde SAFit2 in mehreren Tiermodellen ausgiebig eingesetzt und etablierte sich als Goldstandard für die selektive Hemmung von FKBP51 in vivo. Aufgrund seiner hohen Lipophilie (cLogP = 6.59), seiner beträchtlichen Größe (802 g/mol), seiner geringen Ligandeneffizienz (LE = 0.19) und seiner schlechten pharmakokinetischen Eigenschaften muss SAFit2 jedoch weiter optimiert werden. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Wirkstoffeigenschaften von SAFit-ähnlichen Analoga vorgestellt. In der ersten Hälfte der Arbeit wurden systematisch mögliche Ersetzungen von Pipecolesteranteilen untersucht, um das Molekulargewicht zu verringern und die Ligandeneffizienz von SAFit-ähnlichen Analoga zu verbessern. In der vorliegenden SAR-Studie wurde, ausgehend von einer Benzylgruppe als Mindestvoraussetzung für die Bindung an FKBP51, zunächst ein Scaffold Hopping durchgeführt, das schließlich zu einer Reihe von 1,4-Pyrazolyl-haltigen Analoga führte. Die beste Verbindung der Reihe, 45d (Ki =77 nM), wurde aufgrund ihres überlegenen Profils (MW = 541,7 g/mol, cLogP = 3.72, LE = 0.25) gegenüber anderen Analoga ausgewählt. Die Kokristallstrukturanalyse der neuen SAFit-ähnlichen Analoga gab Aufschluss über den bevorzugten Bindungsmodus von 1,4- und 1,3,4-Pyrazolen gegenüber der 1,4,5-Anordnung. In der zweiten Hälfte der Arbeit wurde die Makrozyklisierung als Strategie gewählt, um die mit SAFit2 verbundenen Nachteile zu überwinden. Es wurde eine neue Klasse von 1,4-Triazol-verbrückten Makrozyklen entwickelt, die auf früheren Erkenntnissen unserer Gruppe aufbaut. Die SAR-Studie begann mit der Identifizierung der idealen Linkerlänge, der bevorzugten Anknüpfungspunkte für die Makrozyklisierung und der am besten geeigneten 1,2,3-Triazolausrichtung. Schließlich führte die Linker-Derivatisierung zur Entdeckung der besten Verbindung der Serie, 117p, die eine Bindungsaffinität von 23 nM für FKBP51 und eine bemerkenswerte intrazelluläre Affinität (IC50 =251 nM) aufweist. Die Kokristallstrukturanalyse der neu synthetisierten Analoga zeigte, dass die bevorzugte Bindungskonformation durch chemische Manipulation des Linkers feinjustiert werden kann. Insgesamt erwiesen sich beide Ansätze als erfolgreich, so dass das kleinere Esterersatz-Analogon 45d und der 1,2,3-triazolhaltige Makrozyklus 117p als vielversprechende Ausgangspunkte für weitere Optimierungen gelten.