Synthesis of Linker-Diversified Macrocycles as Ligands for the FK506 Binding Protein 51

Recently, the FK506 binding protein 51 (FKBP51) binding protein has emerged as a potential target for treating various stress-related disorders such as chronic pain, depression, obesity, and diabetes. The well-studied ligands SAFit1 and SAFit2 show high affinity and selectivity for FKBP51 over its closest homolog FKBP52. However, the shallow binding site of FKBP51 makes it difficult to retain affinity with smaller drug-like molecules. A promising strategy to enhance ligand efficiency and develop more drug-like molecules is macrocyclization. This approach can help to pre-organize a ligand in its bioactive conformation by connecting two parts of a scaffold with a linker moiety. This can lead to an improved overall pharmacological profile. This study aimed to use macrocyclization to improve FKBP51 ligands by addressing issues like low aqueous solubility, low plasma stability, and high lipophilicity while maintaining high biological activity and reducing molecular weight. In this regard, the effect of macrocyclization and systematic linker derivatization on the pharmacological profile of small molecule FKBP51 ligands was comprehensively investigated. Therefore, a wide range of linkers varying in exit vector, length, and chemical composition were introduced in a truncated acyclic building block containing the minimal structural motifs for weak selective FKBP51 binding. This led to the identification of two new macrocyclic templates with substantially higher binding affinity than the acyclic starting point while also achieving a drastic reduction in molecular weight and lipophilicity compared to the parent SAFit ligands. Based on the identified templates, a library of over 60 macrocycles was generated by systematically introducing hydrophilic and hydrophobic residues along the linker. Analysis of the co-crystal structures of macrocycles with substituted and unsubstituted linkers revealed how linker modifications can restrict and control the conformation of the ligands, thereby forming new three-dimensional structural scaffolds for further optimization. Furthermore, the new linker-derivatized macrocycles exhibit promising physicochemical and pharmacokinetic properties compared to both the non-derivatized scaffolds and the linear precursor molecules.

In jüngster Zeit hat sich das FK506-bindende Protein 51 (FKBP51) als potenzielles Zielprotein für die Behandlung verschiedener stressbedingter Erkrankungen wie chronische Schmerzen, Depressionen, Fettleibigkeit und Diabetes erwiesen. Die gut untersuchten Liganden SAFit1 und SAFit2 haben eine hohe Affinität und Selektivität für FKBP51 gegenüber seinem engsten Homologen FKBP52. Die flache Bindungstasche von FKBP51 macht es jedoch schwierig, mit kleineren niedermolekularen Liganden hohe Bindungsaffinitäten zu erreichen. Eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Ligandeneffizienz und zur Entwicklung neuer Arzneistoffe ist die Makrozyklisierung. Dieser Ansatz kann dazu beitragen, einen Liganden in seiner bioaktiven Konformation zu präorganisieren und das pharmakokinetische Gesamtprofil eines Liganden zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, durch Anwendung von Makrozyklisierung FKBP51-Liganden zu identifizieren, die hinsichtlich pharmakokinetischer Eigenschaften wie Wasserlöslichkeit oder metabolischer Stabilität den bestehenden Liganden überlegen sind und gleichzeitig eine hohe biologische Aktivität bei reduziertem Molekulargewicht aufweisen. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Linkern mit unterschiedlichen Ausgangsvektoren, Längen und chemischen Zusammensetzungen in eine azyklische Grundstruktur eingeführt, die die minimalen strukturellen Motive für eine schwache, aber selektive FKBP51-Bindung enthält. Dies führte zur Identifizierung von zwei neuen makrozyklischen Grundstrukturen mit wesentlich höherer Bindungsaffinität als der azyklische Ausgangspunkt und gleichzeitig zu einer drastischen Verringerung des Molekulargewichts und der Lipophilie im Vergleich zu den SAFit-Liganden. Auf der Grundlage der identifizierten makrozyklischen Grundstrukturen wurde eine Bibliothek von über 60 Makrozyklen durch systematische Einführung hydrophiler und hydrophober Reste entlang des Linkers erstellt. Die Analyse der Ko-Kristallstrukturen vieler Linker-substituierter und Linker-unsubstituierter Makrozyklen zeigte, wie Linker-Modifikationen die Konformation der Liganden rigidifizieren und kontrollieren können, wodurch neue dreidimensionale strukturelle Gerüste als Grundlage für weitere Optimierungen entstehen. Darüber hinaus weisen die neuen Linker-derivatisierten Makrozyklen vielversprechende physikochemische und pharmakokinetische Eigenschaften auf, sowohl im Vergleich zu den Makrozyklen mit unsubstituierten Linkers als auch zu entsprechenden linearen Vergleichsmolekülen.