Σχεδιασμός, σύνθεση και μελέτη ψευδοπεπτιδικών ενώσεων, ως αναστολέων πρωτεασών

Abstract

Phosphinic pseudopeptides constitute an important class of peptidic analogues with remarkable inhibitory activity against a large number of proteolytic enzymes. Up to date, these analogues have proved to be effective inhibitors of a many-member family of zinc metalloproteases, namely of matrixins (MMPs). Matrixins are structurally and functionally related enzymes that are implicated in both physiologic and pathological conditions (e.g. embryonic development, reconstruction of bones, cicatrisation of lesions, regulation of arterial pressure, arthritis, metastasis of cancer cells, hypertension etc.). Through the years, it has become explicit that the rational designing of the structural characteristics of phosphinic peptides allows the development of potent and exceptionally selective inhibitors of these enzymes. Moreover, the extensive research conducted in the field of matrixins has provided valuable information regarding the topology of S1΄ subsite, which is considered a selectivity factor. However, the S1 subsite has not been investigated at great length, even if a literature search indicates several cases where inhibitor potency and selectivity is ascribed to the effectiveness of P1-S1 interactions. Therefore, the rational designing of P1 side chains is expected to allow in depth investigation of the topology of S1 subsite and potentially lead to particularly selective MMP inhibitors. Recently, phosphinic peptides begin to find application as inhibitors of serine proteases, a large group of proteolytic enzymes harboring a nucleophilic serine residue at their active site. The most abundant in nature are serine proteases that possess chymotrypsin-like specificity, including the recently discovered family of kallikreins (KLKs). KLKs constitute a family of closely related enzymes associated with several forms of cancer as well as diseases of central nervous system. As a result, the determination of their extended substrate specificity, via screening of potent phosphinic inhibitors, may lead to a better understanding of their function and assist in designing more selective inhibitors. As part of an ongoing research aiming at designing potent phosphinic inhibitors, the present study consists of the following: • The development of a methodology for the incorporation of rigidity elements in the phosphinic backbone. Introduction of structural elements conferring rigidity in bioactive peptides or peptidomimetics can stabilize certain conformations of the molecule which in turn can induce favorable fit to the complementary active site of an enzyme, thus leading to a new class of powerful inhibitors. In particular, application of an intramolecular amidoalkylation reaction of monoalkylated phosphinic acids and suitably protected α,ω-carbamoylaldehydes resulted in the formation of five-, six-, or seven-membered phosphinic azacycles. Moreover, introduction of more heteroatoms that results in higher heterocycles such as 1,3-oxazinanes or piperazines is feasible. Finally, substituents of specific configuration can be easily linked to the ring, since the necessary chiral substituted α,ω- carbamoylaldehydes can be derived from natural α-aminoacids. ...............................................................................................................................................................

Τα φωσφινικά ψευδοπεπτίδια αποτελούν μια σημαντική τάξη πεπτιδικών αναλόγων με αξιόλογη ανασταλτική δράση έναντι πλήθους πρωτεολυτικών ενζύμων. Μέχρι σήμερα έχει συντεθεί και μελετηθεί ένας μεγάλος αριθμός φωσφινικών αναστολέων των μελών μιας πολυπληθούς οικογένειας μεταλλοπρωτεασών ψευδαργύρου, των ματριξινών, η δράση των οποίων σχετίζεται με πολλές φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις (όπως π.χ. εμβρυϊκή ανάπτυξη, ανακατασκευή των οστών, επούλωση τραυμάτων, ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης, αρθρίτιδα, μετάσταση καρκινικών κυττάρων, υπέρταση κ.ά.). Από τις μελέτες αυτές έχει γίνει σαφές ότι ο ορθολογικός σχεδιασμός των δομικών χαρακτηριστικών των φωσφινικών ψευδοπεπτιδίων προσφέρει τη δυνατότητα ανάπτυξης ισχυρών και εξαιρετικά εκλεκτικών αναστολέων των ενζύμων αυτών. Ο κύριος όγκος των ενζυμικών προσδιορισμών έχει δώσει σημαντικές πληροφορίες για την S1΄ περιοχή εξειδίκευσης των ενζύμων, η οποία έχει αποδειχθεί ότι αποτελεί παράγοντα εκλεκτικότητας. Ωστόσο, η S1 περιοχή δεν έχει διερευνηθεί διεξοδικά, παρόλο που έχουν αναφερθεί αρκετές περιπτώσεις όπου η ισχύς και η εκλεκτικότητα αναστολέων αποδίδεται στην ισχυρή σύμπλεξη αυτών με τη συγκεκριμένη περιοχή του ενεργού κέντρου. Η ανάπτυξη φωσφινικών ψευδοπεπτιδίων με κατάλληλα σχεδιασμένες Ρ1 πλευρικές αλυσίδες αναμένεται να επιτρέψει την εις βάθος διερεύνηση της τοπολογίας της S1 περιοχής και ενδεχομένως να οδηγήσει σε ορισμένους ιδιαίτερα εκλεκτικούς αναστολείς των ματριξινών. Πρόσφατα, τα φωσφινικά πεπτίδια αρχίζουν να βρίσκουν εφαρμογή ως αναστολείς των σερινοπρωτεασών, μιας άλλης μεγάλης κατηγορίας πρωτεολυτικών ενζύμων που φέρουν ένα αμινοξύ σερίνης στο καταλυτικό τους κέντρο. Ιδιαίτερη θέση μεταξύ των σερινοπρωτεασών κατέχουν οι πρωτεάσες με εξειδίκευση τύπου χυμοθρυψίνης στις οποίες ανήκουν και οι καλλικρεΐνες, μια οικογένεια ενζύμων των οποίων η δράση έχει συσχετιστεί με πολλές μορφές καρκίνου καθώς και ασθένειες του κεντρικού νευρικού συστήματος. Η αξιοποίηση των δομικών χαρακτηριστικών των φωσφινικών πεπτιδίων στην ανάπτυξη αναστολέων των καλλικρεϊνών αποτελεί έναν πολλά υποσχόμενο ερευνητικό στόχο για τον εντοπισμό των πρώτων ισχυρών αναστολέων των ενζύμων αυτών. Στα πλαίσια της έρευνας για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη αποτελεσματικών φωσφινικών αναστολέων, η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο: • Την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την εισαγωγή άκαμπτων συστημάτων στο σκελετό των φωσφινικών ψευδοπεπτιδίων. Η εισαγωγή στοιχείων ακαμψίας στο σκελετό βιοενεργών πεπτιδίων ή πεπτιδομιμητών αποτελεί μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο για τη βελτιστοποίηση των αλληλεπιδράσεων αυτών με το ενεργό κέντρο των ενζύμων και κατά συνέπεια για την ανάπτυξη μιας νέας τάξης ισχυρών αναστολέων. Πιο συγκεκριμένα, με την εφαρμογή μιας ενδομοριακής αντίδρασης αμιδοαλκυλίωσης μονοϋποκατεστημένων φωσφινικών οξέων και κατάλληλα προστατευμένων α,ω-καρβαμοϋλοαλδεϋδών συντέθηκε μια σειρά φωσφινικών πεπτιδίων που έφεραν στην Ρ1 θέση πενταμελείς, εξαμελείς ή επταμελείς δακτυλίους. Επιπλέον, κατέστη δυνατός ο σχηματισμός εξαμελών δακτυλίων με περισσότερα ετεροάτομα δίνοντας πρόσβαση σε 1,3- οξαζινάνια και πιπεραζίνες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση πενταμελών δακτυλίων που έφεραν υποκαταστάτες συγκεκριμένης στερεοχημείας, με τη χρήση χειρικών α,ω- καρβαμοϋλοαλδεϋδών, οι οποίες παρασκευάζονται εύκολα από φυσικά α-αμινοξέα. ....................................................................................................................