| License: Publishing license for publications including print on demand (2MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-222378
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.22237
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 20 October 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Armin Buschauer and Prof. Dr. Sigurd Elz |
| Date of exam: | 13 October 2011 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical/Medicinal Chemistry II (Prof. Buschauer) |
| Keywords: | medicinal chemistry, histamine H2 receptor, acylguanidine, bivalent ligand |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 22237 |
Abstract (English)
Potent and selective histamine H2 receptor (H2R) agonists, including brain-penetrating compounds, are required as pharmacological tools to evaluate the (patho)physiological role of H2Rs. Moreover, H2R agonists might be of therapeutic value as drugs, for example, in the treatment of acute myelogenous leukemia. Previously, acylguanidine-type H2R agonists with reduced basicity were synthesized in ...
Abstract (English)
Potent and selective histamine H2 receptor (H2R) agonists, including brain-penetrating compounds, are required as pharmacological tools to evaluate the (patho)physiological role of H2Rs. Moreover, H2R agonists might be of therapeutic value as drugs, for example, in the treatment of acute myelogenous leukemia.
Previously, acylguanidine-type H2R agonists with reduced basicity were synthesized in our laboratory, resulting in improved bioavailability and CNS penetration compared to the corresponding guanidines. Based on the preceding work, this thesis aimed at the design, the synthesis and the pharmacological characterization of novel NG-acylated hetarylpropylguanidines to elaborate the structure-activity relationships (SAR) in more detail. A central aspect of this project was the development of bivalent acylguanidine-type H2R agonists.
The prepared compounds were investigated for H2R agonism in GTPase and [35S]GTPγS binding assays at guinea pig (gp) and human (h) H2R-GsαS fusion proteins including various H2R mutants, at the isolated gp right atrium (in cooperation with Prof. Elz, University of Regensburg), and, with respect to H2R selectivity, in GTPase assays for activity on recombinant human H1, H3 and H4 receptors. In addition, representative compounds were investigated regarding their hemolytic and cytotoxic properties as well as their potential to bind to plasma proteins.
NG-Acylated 3-(2-aminothiazol-5-yl)propylguanidines proved to be H2R partial to full agonists. Within this series, highest potencies resided in compounds having a two- or three-membered carbon chain between carbonyl group and phenyl or cyclohexyl ring, respectively. Notably, the introduction of a free amino group at an appropriate distance to the pharmacophoric moiety was beneficial with respect to H2R agonistic potency. In contrast to their imidazole analogs, the aminothiazoles were highly selective for the H2R vs. other HR subtypes. Thus, this study substantiates previous results, confirming that the 2-aminothiazole and the imidazole moiety are bioisosteric groups at the H2R but not at the H3R and H4R. Moreover, in contrast to amthamine, the 4-methyl group at the thiazole ring did not significantly contribute to the H2R agonism of NG-acylated 3-(2-amino-4-methylthiazol-5-yl)propylguanidines.
Bivalent H2R agonists were synthesized by connecting the guanidine groups of two molecules by NG-acylation with dicarboxylic acids of different structure and length (spacer lengths ≈ 6 – 27 Å). The bivalent ligands proved to be up to two orders of magnitude more potent than monovalent acylguanidines and up to 4000 times more potent than histamine at the gpH2R (compounds with octanedioyl to decanedioyl spacers). These are the most potent histamine H2R agonists known to date. However, due to insufficient spacer lengths of the most active compounds, the tremendous gain in potency compared to monovalent analogs cannot be explained by simultaneous occupation of the orthosteric recognition sites of a H2R dimer. The high potency rather results from interaction with an accessory (allosteric?) binding site at the same receptor protomer.
Replacing the second hetarylpropylguanidine moiety with simple alkyl guanidine groups afforded rather high H2R agonistic activities (EC50 values in the low nanomolar range), whereas all other variations in this part of the molecule led to drastically decreased potencies. A further decrease in potency resulted from the elimination of the second guanidino group, corroborating the importance of a basic centre at an appropriate distance to the pharmacophore to obtain highly potent bivalent H2R agonists. These results are consistent with the concept of interaction with the orthosteric and an accessory binding site of one H2R protomer, i. e. the accessory binding site can accommodate the second acylguanidine portion.
All investigated compounds were significantly more potent and efficacious at the gpH2R relative to the hH2R. These differences might help to verify the suggested model of bivalent ligand - receptor interactions via identification of species-dependent molecular determinants of the orthosteric and the accessory binding site in hH2R and gpH2R, respectively. Investigations on gpH2R and hH2R mutants/chimera confirmed the key role of non-conserved Tyr-17 and Asp-271 in TM1 and TM7 in the gpH2R for species-selective H2R activation and suggested that the e2 loop does not participate in direct ligand - receptor interaction. To explore the topology of this putative accessory binding site in more detail, further studies on H2R mutants are necessary.
In conclusion, bioisosteric and bivalent approaches applied in this thesis led to highly potent and selective pharmacological tools for more detailed investigations of the H2R. However, in view of cell based in vitro investigations or future in vivo experiments, the drug-like properties of these H2R agonists should be further improved.
Translation of the abstract (German)
Selektive Histamin H2-Rezeptor-Agonisten rücken, u.a. aufgrund ihres Einflusses auf Leukämiezellen und der möglichen neuropharmakologischen Wirkung, immer mehr in den Fokus. Bereits in den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche H2R-Agonisten wie 5-Methylhistamin, Dimaprit, Impromidin und Arpromidin beschrieben. Nach der Entdeckung der H3 und H4 Rezeptoren wurde jedoch deren H2R-Selektivität ...
Translation of the abstract (German)
Selektive Histamin H2-Rezeptor-Agonisten rücken, u.a. aufgrund ihres Einflusses auf Leukämiezellen und der möglichen neuropharmakologischen Wirkung, immer mehr in den Fokus. Bereits in den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche H2R-Agonisten wie 5-Methylhistamin, Dimaprit, Impromidin und Arpromidin beschrieben. Nach der Entdeckung der H3 und H4 Rezeptoren wurde jedoch deren H2R-Selektivität widerlegt und so wird beispielsweise 5-Methylhistamin heutzutage als selektiver H4R-Agonist angesehen. Neuartige Agonisten mit selektiven Wirkungen am H2R werden deshalb zum einen als pharmakologische Werkzeuge zur Untersuchung der (patho)physiologischen Eigenschaften dieses Rezeptors und zum anderen als potentielle Arzneistoffe, benötigt.
Vor kurzem wurden in unserer Arbeitsgruppe H2R-Agonisten von Acylguanidin-Typ beschrieben. Im Vergleich zu den entsprechenden Guanidinen zeichnen sich diese Substanzen durch eine reduzierte Basizität und damit einhergehenden verbesserten pharmakokinetischen Eigenschaften aus. Basierend auf dieser vorausgehenden Arbeit wurden in dieser Doktorarbeit neuartige NG-acylierte H2R-Agonisten synthetisiert und pharmakologisch charakterisiert. Ziel dieser Arbeit war die detaillierte Ausarbeitung von Struktur-Wirkungsbeziehungen und die Entwicklung hochpotenter, selektiver H2R-Agonisten. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der Entwicklung bivalenter Acylguanidine.
Pharmakologisch wurden die entwickelten Verbindungen in GTPase- und [35S]GTPγS-Assays an humanen (h) und Meerschweinchen (gp) H2R-GsαS Fusionsproteinen, einschließlich verschiedener Mutanten, und am isolierten rechten Vorhof des Meerschweinchens untersucht. Zur Untersuchung der Rezeptorsubtyp-Selektivitäten wurden GTPase-Assays an rekombinanten human H1, H3 und H4 Rezeptoren durchgeführt. Zudem wurden ausgewählte Verbindungen hinsichtlich ihrer hämolytischen und zytotoxischen Eigenschaften sowie auf ihre Plasmaproteinbindung hin untersucht.
NG-Acylierte 3-(2-Amino-4-methylthiazol-5-yl)propylguanidine zeigten partiellen H2R-Agonismus mit höchsten Potenzen in Verbindungen mit zwei- bis dreigliedrigen Ketten zwischen der Carbonylgruppe und dem Phenyl- bzw. Cyclohexylring. Interessanterweise ergab die Einführung einer zusätzlichen Aminogruppe in einem angemessenen Abstand zum Pharmakophor eine deutliche Potenzsteigerung. Im Unterschied zu den Imidazolen waren die untersuchten Aminothiazole hochselektiv für den H2R gegenüber den anderen Histaminrezeptorsubtypen. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylgruppe in Position 4 des Thiazolrings für den H2R Agonismus weder im GTPase Assay noch am Vorhof des Meerschweinchens notwendig ist.
Die Entwicklung bivalenter H2R-Agonisten gelang durch die Verknüpfung zweier Guanidingruppen mittels NG-Acylierung mit Dicarbonsäuren unterschiedlicher Struktur und Länge. Die Pharmakophor-Verdoppelung resultierte in einer 100-fachen Potenzsteigerung gegenüber den monovalenten Liganden und einer über 4000-fachen Potenzsteigerung gegenüber Histamin. Damit sind diese bivalenten Liganden die potentesten bislang beschriebenen H2R-Agonisten. Die unzureichenden Kettenlängen der potentesten Verbindungen lassen darauf schließen, dass die Potenzsteigerung eher durch Interaktion der Liganden mit einer zusätzlichen Bindungsstelle (allosterisch?) an einer Rezeptoreinheit zustande kommt als durch die Überbrückung eines Rezeptordimers.
Mit Ausnahme der Kombination eines Hetarylpropylguanidins mit einfachen Alkylguanidinen führten alle strukturellen Veränderungen des 2. Pharmakophors zu einer deutlichen Potenzabnahme. Desweiteren konnte die Relevanz der zweiten basischen Acylguanidingruppe für hochpotente bivalente Liganden durch den Austausch der Acylguanidin- durch eine Amidgruppe gezeigt werden. Diese Untersuchungsergebnisse stützen die Annahme einer zusätzlichen Bindungsstelle am Rezeptormolekül. Je nach Substitutionsmuster scheint die Acylguanidingruppe für Wechselwirkungen mit dieser Bindungsstelle befähigt. Untersuchungen an verschiedenen Punktmutanten mit dem Ziel, Aufschluss über den strukturellen Aufbau der zusätzlichen Bindungsstelle zu erhalten, bestätigten die Schlüsselrolle der beiden nichtkonservierten Aminosäuren Tyr-17 und Asp-271 in den Transmembrandomänen 1 und 7 des gpH2R für die Spezies-selektive H2R Aktivierung, und zeigten, dass die 2. extrazelluläre Schleife nicht an direkten Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen beteiligt ist.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Acylguanidine sind wertvolle pharmakologische Werkzeuge für In-vitro- und zukünftige In-vivo-Experimente des H2R einschließlich der Untersuchung zentraler H2R-vermittelter Effekte. Untersuchungen an weiteren H2R Mutanten könnten dazu beitragen, den strukturellen Aufbau der zusätzlichen Bindungsstelle zu klären. Hierfür bilden die in dieser Arbeit vorgestellten bivalenten Liganden eine vielversprechende Grundlage, jedoch sollten die Strukturen mit Rücksicht auf physikochemische und toxische Eigenschaften weiter verbessert werden.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 05:52
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