Synthesis of (DHEA) derivatives substituted by four, five or six membered-17-spiro substituents

Abstract

Neurodegenerative diseases pose significant challenges worldwide, contributing to high mortality rates. Conditions such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, amyotrophic lateral sclerosis, and multiple sclerosis are characterized by progressive disruption of normal neuronal structure and function, accompanied by oxidative and inflammatory stress. Dysregulation of the neuro-trophin system has been identified as a common factor in these neurodegenerative diseases, highlight-ing its crucial role in the development, functioning, and overall health of the nervous system. This thesis is focused on the agonism of neurotrophin receptors TrkA and TrkB as a potential therapeu-tic approach to slow down the neurodegenerative process and enhance patients' quality of life and life expectancy. The natural ligands for these receptors, though effective, face limitations as drugs due to their large peptidic structure, short half-life, and potential side effects. Hence, the need arises for small, metabolically stable neurotrophin mimetics. Building upon the neurotrophin receptor agonistic activity of the endogenous steroid dehydroepi-androsterone (DHEA), the research group of Dr Calogeropoulou designed and synthesized BNN27, a potent selective TrkA activator that served as the foundation for this thesis. BNN27's success stemmed from the incorporation of a delicate spiro-epoxide ring at position C17. To develop more metabolically stable derivatives while enhancing activity and selectivity towards neurotrophin receptors, this project aimed to substitute BNN27's spiro-epoxide with 4-, 5-, and 6-membered rings. Additionally, various substituents were introduced to probe the optimal stereo-electronic requirements for the activation of neurotrophin receptors TrkA and TrkB and obtain structure-activity relationships. Consequently, a total of 29 C17-spiro-ring-substituted DHEA derivatives were synthesized as potential novel small neurotro-phin mimetics. The new compounds were evaluated for their neuroprotective activities through interaction with the neurotrophin receptors TrkA and/or TrkB, by assessing their ability to induce the phosphorylation of TrkA, TrkB, and activation of downstream cascade proteins Akt and ERK1/2 in PC12, primary astrocytes and NIH-3T3-TrkB cell lines. The compounds' potential to limit neuroinflammatory responses in primary microglia was also investigated. Additionally, the ADME-Tox profiles of the most potent derivatives were determined, including their metabolic stability in human liver microsomes and their potential to inhibit major P450 cytochromes. This study offers valuable insights into neurotrophin receptor agonism and the activity of the synthe-sized compounds. ENT-A025 emerged as a potent TrkA activator, displaying comparable phosphoryla-tion levels to NGF. Several derivatives, such as ENT-A065, ENT-A066, ENT-A068, ENT-A069, and ENT-A070, demonstrated pro-survival effects in TrkA-expressing cell lines. Promising TrkB agonists were identified among the tested compounds, including ENT-A009, ENT-A055, ENT-A075, ENT-A076, and ENT-A087. All compounds exhibited favourable ADME-Tox profiles and drug-like qualities; however, they didn’t exhibit any anti-neuroinflammatory effect.

Τα νευροεκφυλιστικά νοσήματα αποτελούν σημαντική πρόσκληση παγκοσμίως, συμβάλλοντας σε υψηλά ποσοστά θνησιμότητας. Καταστάσεις όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ, η νόσος του Πάρκινσον, η νόσος του Huntington, η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση και η σκλήρυνση κατά πλάκας χαρακτηρίζονται από προοδευτική διαταραχή της φυσιολογικής δομής και λειτουργίας των νευρώνων, που συνοδεύεται από οξειδωτικό και φλεγμονώδες στρες. Η απορρύθμιση του συστήματος νευροτροφινών έχει αναγνωριστεί ως ένας κοινός παράγοντας στα παραπάνω νοσήματα, υπογραμμίζοντας τον κρίσιμο ρόλο του στην ανάπτυξη, τη λειτουργία και τη συνολική υγεία του νευρικού συστήματος.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ενεργοποίηση των υποδοχέων νευροτροφινών TrkA και TrkB ως μια πιθανή θεραπευτική προσέγγιση για την επιβράδυνση της νευροεκφυλιστικής διαδικασίας και τη βελτίωση της ποιότητας και του προσδόκιμου ζωής των ασθενών. Οι φυσικοί αγωνιστές (νευροτροφίνες) για αυτούς τους υποδοχείς, αν και αποτελεσματικοί, έχουν περιορισμούς για τη χρήση τους ως φάρμακα λόγω της μεγάλης πεπτιδικής δομής, του μικρού χρόνου ημιζωής και των πιθανών παρενεργειών τους. Ως εκ τούτου, προκύπτει η ανάγκη για την ανάπτυξη μικρομοριακών, μεταβολικά σταθερών μιμητών των νευροτροφινών.Βασιζόμενοι στην αγωνιστική δράση στους υποδοχείς νευροτροφινών του ενδογενούς στεροειδούς δεϋδροεπιανδροστερόνη (DHEA), η ερευνητική ομάδα της Δρ Καλογεροπούλου σχεδίασε και συνέθεσε την ένωση BNN27, έναν ισχυρό επιλεκτικό ενεργοποιητή του υποδοχέα TrkA που χρησίμευσε ως βάση για την παρούσα διατριβή. Η επιτυχία του BNN27 προήλθε από την ενσωμάτωση ενός μεταβολικά ευαίσθητου σπειρο-εποξειδίου στη θέση C17. Για την ανάπτυξη πιο μεταβολικά σταθερών αναλόγων ενισχύοντας παράλληλα τη δράση και την εκλεκτικότητα στους υποδοχείς νευροτροφινών, η παρούσα διατριβή είχε ως στόχο να αντικαταστήσει το σπειρο-εποξείδιο του BNN27 με τετρα-, πεντα- και εξαμελείς δακτυλίους. Επιπλέον, εισήχθησαν διάφοροι υποκαταστάτες στα σπειρο-συστήματα για να διερευνηθούν οι βέλτιστες στερεοηλεκτρονικές απαιτήσεις για την ενεργοποίηση των υποδοχέων νευροτροφίνης TrkA και TrkB και να ληφθούν σχέσεις δομής-δραστικότητας. Συντέθηκαν συνολικά 29 C17-σπειρο-υποκατεστημένα παράγωγα της DHEA ως πιθανοί μικρομοριακοί μιμητές των νευροτροφινών.Οι νέες ενώσεις αξιολογήθηκαν για τις νευροπροστατευτικές τους δραστηριότητες μέσω της αλληλεπίδρασης με τους υποδοχείς νευροτροφινών TrkA και/ή TrkB, αξιολογώντας την ικανότητά τους να επάγουν τη φωσφορυλίωση των υποδοχέων αυτών και την ενεργοποίηση των πρωτεϊνών καταρράκτη Akt και ERK1/2 σε κύτταρα PC12, πρωτογενή αστροκύτταρα. και NIH-3T3-TrkB κύτταρα. Διερευνήθηκε επίσης η δυνατότητα των νέων ενώσεων να περιορίζουν τη νευροφλεγμονώδη απόκριση στην πρωτοπαθή μικρογλοία. Επιπλέον, προσδιορίστηκε το προφίλ ADME-Tox των πιο ισχυρών παραγώγων, συμπεριλαμβανομένης της μεταβολικής τους σταθερότητας σε ανθρώπινα ηπατικά μικροσώματα και της δυνατότητάς τους να αναστέλλουν τα βασικά κυτοχρώματα P450.Η παρούσα διατριβή προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τον αγωνισμό των υποδοχέων νευροτροφινών και τη δραση των νέων ενώσεων. Ειδικότερα, η ένωση ENT-A025 είναι ένας ισχυρός ενεργοποιητής του TrkA, προκαλώντας συγκρίσιμα επίπεδα φωσφορυλίωσής του με αυτά του NGF. Αρκετά παράγωγα, όπως τα ENT-A065, ENT-A066, ENT-A068, ENT-A069 και ENT-A070, οδήγησαν σε επιβίωση κυτταρικών σειρών που εκφράζουν τον TrkA. Επίσης συντέθηκαν πολλά υποσχόμενοι αγωνιστές TrkB, συμπεριλαμβανομένων των ENT-A009, ENT-A055, ENT-A075, ENT-A076 και ENT-A087. Όλες οι δραστικές ενώσεις εμφάνισαν ευνοϊκά προφίλ ADME-Tox και ιδιότητες που τις καθιστούν κατάλληλες για εν δυνάμει φάρμα. Ωστόσο, καμμία δεν εμφάνισε αντινευροφλεγμονώδη δράση στη μικρογλοία.