Development and Characterization of new Inhibitors for Protein Kinase Nek1

Despite the impressive accomplishments in the development of small molecule kinase inhibitors over the past 25 years, the majority of human kinases still lack high-quality inhibitors that can be used as chemical probes to investigate their biological function and pharmacology. Many members of the untargeted kinome are known to play a crucial role in the cell cycle and thus represent unexploited cancer drug targets. NIMA-related kinase 1 (Nek1) is one such example, which has lately gained attention for its widespread function in ciliogenesis, apoptosis, and the DNA-damage response and is involved in numerous cancers and several ciliopathies, and neurodegenerative diseases. This work reports the development of the first selective high-quality tool compounds for Nek1 inhibition using structure-guided medicinal chemistry methods. In the first step, two novel 7 azaindole scaffolds were derived from published structural data and reported kinome cross-screening analyses. Iterative steps of computer-assisted design, synthesis, and evaluation of structure-activity-relationships then led to the identification of seven lead compounds, and the top compound was further profiled for its in vivo efficacy, toxicity, and bioavailability in a self-established zebrafish polycystic kidney disease model. Administration of the top compound caused the quantifiable expansion of fluorescence-labeled proximal convoluted tubules, thus supporting the hypothesis that Nek1-inhibition causes cystic kidneys in zebrafish embryos. The methods used provide a blueprint for the fast and resource-efficient development of chemical probes for other dark kinases from widely available chemogenomic kinase data sets.

Trotz der beeindruckenden Errungenschaften in der Entwicklung niedermolekularer Kinase Inhibitoren, in den vergangenen 25 Jahren, sind für den Großteil der menschlichen Kinasen keine hochwertigen Inhibitoren verfügbar, die als chemische Sonden zur pharmakologischen Untersuchung biologischer Funktionen verwendet werden können. Für viele Vertreter des nicht adressierten Kinoms ist bekannt, dass sie in essenziellen Rollen des Zellzyklus mitwirken und somit ungenutzte Angriffspunkte für Krebstherapien darstellen. NIMA-related Kinase 1 (Nek1) ist eine solche Kinase, welche zuletzt aufgrund ihrer weitreichenden Funktionen in der Ziliogenese, der Apoptoseregulation und der DNA-Schadensantwort Aufmerksamkeit erregt hat, und ist nachweislich an zahlreichen Krebsarten sowie an Ziliopathien und neurodegenerative Erkrankungen beteiligt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die auf Struktur-gesteuerten Methoden der Medizinalchemie gestützte Entwicklung der ersten selektiven Werkzeugsubstanzen zur gezielten Hemmung von Nek1. Im ersten Schritt wurden zwei neuartige 7-Azaindol Gerüste aus veröffentlichten Struktur- und Kinase-Cross-Screening-Analysen abgeleitet. Iterative Schritte aus computergestütztem Design, Synthese und Evaluation von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen führten zur Identifizierung von sieben Leitstrukturen und die vielverprechendste Verbindung wurde sodann in einem eigenständig entwickelten Zebrafischlebendtiermodell der polyzystischen Nierenerkrankung hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, ihrer Toxizität sowie ihrer Bioverfügbarkeit weiter untersucht. Die Behandlung von Zebrafischembryonen mit der Leitsubstanz führte zu einer messbaren Vergrößerung der fluoreszenzmarkierten Vornieren, wodurch die Hypothese, dass die Inhibition von Nek1 im Entwicklungsstadium zur Ausbildung von renalen Zysten führt, bestätigt werden konnte. Die verwendete Methode stellt zudem ein adaptierbares Konzept für die schnelle und ressourceneffiziente Entwicklung weiterer chemischer Sonden auf Basis breit zugänglicher chemogenomischer Datensätze bereit.