Indole and pyrazole as versatile scaffolds for biologically active compounds: new chimeric kinase and bromodomain inhibitors

Abstract

The last years, there has been an increasing need to discover new drugs for various diseases such as cancer, COVID-19, Influenza A, and hepatitis. The rising number of patients and fatalities has made the need for effective and selective treatments imperative. Staurosporine-Rutaecarpine and Meridianin-Meriolin, are well-known bioactive compounds that exhibit high potency against various targets. A wide range of natural and synthetic analogs of these compounds, possessing unique physicochemical and biological properties, have gained the interest due to their interference with complex biological pathways and pathologies in cancerous, viral and microbial infections. However, the clinical use of these drugs and their analogs is limited due to toxicity, poor bioavailability, pharmacokinetic issues and lack of selectivity. Therefore, there is an indispensable need to synthesize new drugs with intended anticancer and antiviral activity. In this research work, the aforementioned multitargeted inhibitors were utilized as lead compounds for the design and synthesis of 4 novel scaffolds based on pyrazole and indole rings. These two heterocyclic moieties have been widely studied in drug discovery since the early stages of drug development. Numerous indole- and pyrazole-based bioactive compounds have been found to interfere with essential biological processes, such as cell proliferation and cell cycle regulation, which are implicated in cancer, inflammation or viral infections, when dysregulated. In my Ph.D., a vast number of 3-(pyrazol-4-yl)indole based compounds, have been designed and synthesized, in order to understand their implication in malignant and viral diseases. The new compounds were screened against a panel of 110 protein targets, particularly kinases and bromodomains, to discover the targets of interest (NAK kinases, IV family BDs, GSK3b, CLK1, etc.) and to highlight the important for the activity structural characteristics. The preliminary results indicated that the activity and selectivity of the new inhibitors is controlled by the substitutions of the 3-(pyrazol-4-yl)indole moiety and that both indole and pyrazole contribute to the binding to their targets. The goal of my research work is the establishment of a model for the design and synthesis of novel high-added value and selective 3-(pyrazol-4-yl)indole-based inhibitors against dysregulated protein kinases and bromodomains, that play a crucial role in the initiation and progression of various diseases. Through state-of-the-art research and experimental procedures, this work aims to assist in the investigation and understanding of the complex biological pathways and mechanisms involved in various types of tumors and viral infections. Additionally, it will identify and highlight promising novel compounds that can be considered for in vivo trials and future clinical use. This project will deepen our knowledge and expertise in the field of anticancer and antiviral research, and the dissemination of its results will provide valuable research tools to the drug discovery community.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη για την εύρεση νέων φαρμάκων έναντι διάφορων ασθενειών, όπως ο καρκίνος, COVID-19, γρίπη τύπου Α και Β, η ηπατίτιδα κ.ά.. Ο αυξανόμενος αριθμός ασθενών και θνησιμότητας κρίνει επιτακτική την ανάγκη για την εύρεση αποτελεσματικών και εκλεκτικών θεραπειών έναντι των ασθενειών αυτών. Οι Staurosporine-Rutaecarpine και Meridianin-Meriolin αποτελούν γνωστές βιοδραστικές ενώσεις με ισχυρή δράση έναντι διάφορων στόχων. Μια μεγάλη ποικιλία φυσικών και συνθετικών αναλόγων των παραπάνω ενώσεων με μοναδικές φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητες, έχουν εμφανίσει ενδιαφέρον λόγω της εμπλοκής τους σε πολύπλοκα βιολογικά μονοπάτια που σχετίζονται με καρκινικές, ιογενείς και μικροβιακές λοιμώξεις. Παρόλα αυτά, η κλινική τους χρήση είναι περιορισμένη λόγω της υψηλής κυτταροτοξικότητας τους, της μικρής βιοδιαθεσιμότητα τους, των φαρμακοκινητικών προβλημάτων και της έλλειψης εκλεκτικότητας που εμφανίζουν. Για αυτό κρίνεται απαραίτητα η σύνθεση νέων φαρμάκων με στοχευμένη αντικαρκινική και αντιϊκή δράση. Σε αυτή την ερευνητική εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι ανωτέρω μη εκλεκτικοί αναστολείς ως ενώσεις-οδηγοί για το σχεδιασμό και τη σύνθεση 4 νέων σκελετών με βασικά δομικά χαρακτηριστικά, το ινδόλιο και το πυραζόλιο. Τα δύο αυτά ετεροκυκλικά υποστρώματα έχουν μελετηθεί εκτενώς από τα πρώτα στάδια της έρευνας γύρω από την εύρεση νέων φαρμάκων. Μεγάλος αριθμός βιολογικά δραστικών ενώσεων, που περιέχουν το ινδόλιο και το πυραζόλιο στο βασικό τους σκελετό, έχουν βρεθεί ότι εμπλέκονται σε βασικές βιολογικές διαδικασίες, όπως ο πολλαπλασιασμός των κυττάρων και η ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου σε διάφορα στάδια, τα οποία όταν απορυθμιστούν, μπορούν να οδηγήσουν σε καρκίνο και άλλες λοιμώξεις. Στη διδακτορική μου διατριβή, ένας μεγάλος αριθμός ενώσεων του 3-(πυραζολ-4-υλ)ινδολίου σχεδιάστηκαν και συντέθηκα, με σκοπό την κατανόηση του βιολογικού τους ρόλου σε καρκινικές και ιογενείς λοιμώξεις. Οι νέες ενώσεις ελέγχθηκαν για τη βιολογική τους δράση έναντι 110 πρωτεϊνικών στόχων, κυρίως κινασών και bromodomains, ώστε να αναδειχθούν οι στόχοι με το μεγαλύτερο ενδιαφέρων (NAK κινάσες, IV οικογένεια BDs, GSK3b, CLK1, κ.ά.) και τα σημαντικά για τη δράση δομικά χαρακτηριστικά. Τα πρώτα βιολογικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η δράση και η εκλεκτικότητα των νέων αναστολέων ελέγχεται από τη θέση και τη φύση των υποκαταστατών του 3-(πυραζολ-4-υλ)ινδολίου, καθώς επίσης και από τις αλληλεπιδράσεις που σχηματίζουν το ινδόλιο και το πυραζόλιο του βασικού σκελετού με τον εκάστοτε στόχο. Στόχος της ερευνητικής μου εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου που θα συμβάλλει στο σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων, υψηλής βιολογικής αξίας και εκλεκτικών αναστολέων του 3-(πυραζολ-4-υλ)ινδολίου έναντι πρωτεϊνικών κινασών και bromodomains. Μέσω σύγχρονων ερευνητικών και πειραματικών διαδικασιών, αυτή η εργασία θα συμβάλλει στην έρευνα και την κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών μονοπατιών και μηχανισμών εμπλεκόμενων σε διάφορες μορφές καρκίνων και ιογενών λοιμώξεων. Επιπλέον, οι νέες ενώσεις με τα κατάλληλα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά θα μπορέσουν να αναδειχθούν ως υποψήφιες για περαιτέρω κλινική μελέτη και χρήση. Με την παρούσα ερευνητική εργασία θα διευρυνθούν οι γνώσεις και η εξειδίκευση στον τομέα της αντικαρκινικής και αντι-ιικής έρευνας, καθώς επίσης τα παραδοτέα αποτελέσματα θα αποτελέσουν σημαντικά εργαλεία για την ερευνητική κοινότητα.