Ν-φαινυλοπυρρολικές ενώσεις ως δομικό υπόβαθρο αναστολέων της αναγωγάσης της αλδόζης: φαρμακοχημικός σχεδιασμός, σύνθεση, in vitro βιολογική αξιολόγηση και υπολογισμός φυσικοχημικών ιδιοτήτων

Abstract

Aldose reductase (ALR2) has been characterized as both a “dream” and a “dread” therapeutic target. Its initial implication in diabetes mellitus long-term complications, followed by findings for a central role in inflammation and cancer signaling pathways have established ALR2 as a dreamy target, though the apparent difficulty in discovering effective inhibitors in clinical trials, while having a favourable profile in preclinical studies, even after forty years of research on the field, leaves researchers in awe. Subsequently, with ALR2 as a key-enzyme in a number of common pathological conditions, the search for novel aldose reductase inhibitors (ARIs) has become the epicenter of many studies. Most of the known ARIs are carboxylic acid derivatives or cyclic spiroimides and have been presented with unwanted characterists such as toxicity or low in vivo efficacy. Recent studies are therefore orientated towards novel chemotypes in order to combine a satisfying pharmacodynamic and pharmacokinetic profile. In our previous studies a bioisosteric replacement of a carboxylic acid group was accomplished with the use of the non-classical bioisosteric groups 2,6-difluorophenol and tetrazole in the scaffold of a N-phenylpyrrole. Since those derivatives are expected to present extended ionization in physiological pH, a replacement of the acidic group was attempted, so that the novel derivatives would have improved physicochemical properties and the ability to readily penetrate biological membranes. By using the ratio logD/logP as an index, we selected substitutions where logD logP. Under this framework, 3-benzoyl-N-phenylpyrrole derivatives were synthesized, incorporating groups that have the ability of hydrogen bonding as a donor or acceptor and are mostly non-ionized in physiological pH. From the synthesized compounds, the 2-fluorophenol derivative (17) was selected for further optimization based on its optimal activity and physicochemical properties. Substitutions over the 3-benzoyl ring were explored, as well as a second pyrrole substitution. The routes of synthesis have been reported in the literature or are modifications of them. The most significant modifications that were attempted concern an aromatic nitro-group reduction in the synthesis of compound 9, a Clauson-Kaas pyrrole formation in the synthesis of compounds 10-13 and the regio-specific, or not, Friedel-Crafts reaction of the intermediates 10-13. From the synthesized compounds, the bis-substituted analogue 41 exhibited the optimal ALR2 inhibitory activity, on partially purified rat lens ALR2, with an IC50 value in the low micromolar range (IC50 = 1.04 μΜ). As a measure of selectivity, the inhibitory activity of the closely-related enzyme aldehyde reductase (ALR1) was evaluated on partially purified rat kidney ALR1. The most active compounds were studied and compound 41 appeared as the most selective with selectivity index value IC50[ALR1]/IC50[ALR2] = 19.60. We also proceeded to a computational evaluation of key physicochemical properties in order to estimate the drug-likeness of the most active compounds, with satisfying results. Summarizing the above, the development of the novel potent and selective ARI (41) was accomplished, that besides micromolar inhibitory activity also possesses improved physicochemical properties and can be used as a lead compound in the design of novel, more efficacious ARIs.

Η αναγωγάση της αλδόζης (ALR2) έχει χαρακτηριστεί ως ένας «ονειρεμένος» αλλά και ταυτόχρονα «τρομακτικός» στόχος για τη θεραπευτική. Η αρχική ανάμιξή της στην παθογένεση των χρόνιων επιπλοκών του σακχαρώδους διαβήτη και η στη συνέχεια συσχέτισή της με σηματοδοτικά μονοπάτια που εμπλέκονται στη φλεγμονή και σε καρκίνους την έχουν καταστήσει ως έναν ονειρεμένο στόχο, αλλά ταυτόχρονα η δυσκολία στην εύρεση αποτελεσματικών αναστολέων της σε κλινικές δοκιμές, παρά την προκλινική αποτελεσματικότητά τους, ακόμη και μετά από σαράντα χρόνια διερεύνησης, προκαλεί ένα σχετικό δέος. Επομένως, με την ALR2 ως ένζυμο κλειδί στην παθογένεση ενός αριθμού διαδεδομένων παθήσεων, η διερεύνηση για την εύρεση νέων αναστολέων της ALR2 (ARIs) είναι στο επίκεντρο ερευνητικών προσπαθειών. Οι αναστολείς που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα στην βιβλιογραφία αποτελούν κατά κύριο λόγο παράγωγα καρβοξυλικών οξέων ή κυκλικών σπειροϊμιδίων και τους αποδίδονται χαρακτηριστικά που αποτρέπουν την ευρεία χρήση τους λόγω εμφάνισης τοξικότητας ή μικρής in vivo αποτελεσματικότητας. Νεότερες μελέτες προσανατολίζονται λοιπόν προς νέους χημειότυπους που δε θα εμφανίζουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά, ώστε να επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό φαρμακοκινητικό και φαρμακοδυναμικό προφίλ. Έχοντας μελετήσει στο παρελθόν την αντικατάσταση της ομάδας του καρβοξυλικού οξέος με τη μη κλασική βιοϊσοστερή ομάδα του τετραζολίου και της 2,6-διφθοροφαινόλης σε Ν-φαινυλο-υποκατεστημένα πυρρολικά παράγωγα με ενθαρρυντικά αποτελέσματα, στην παρούσα εργασία έγινε μια προσπάθεια για την παραπέρα βελτίωση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων αυτών. Καθώς τα παράγωγα αυτά, όντας ιονισμένα σε σημαντικό ποσοστό σε φυσιολογικό pH, αναμένεται να παρουσιάζουν προβληματική διαπερατότητα στους ιστούς και χρησιμοποιώντας ως δείκτη για τη διαπερατότητα διαμέσου μεμβρανών το λόγο logD/logP προχωρήσαμε στο σχεδιασμό ενώσεων όπου ο λόγος αυτός τείνει στη μονάδα. Στα πλαίσια αυτά συντέθηκαν παράγωγα του 3-βενζοϋλο-Ν-φαινυλοπυρρολίου με υποκαταστάσεις, επί του Ν-φαινυλίου, ομάδες που φέρουν την ιδιότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου ως δέκτες ή ως δότες και είναι ελάχιστα ή καθόλου ιονισμένες σε φυσιολογικό pH. Από αυτές, επιλέχθηκε για περαιτέρω διερεύνηση το παράγωγο της 2-φθοροφαινόλης (17) καθώς εμφάνισε την καλύτερη δράση σε συνδυασμό με ευνοϊκές φυσικοχημικές ιδιότητες. Στη συνέχεια επιχειρήθηκαν υποκαταστάσεις επί του 3-βενζοϋλο-υποκαταστάτη, καθώς και δεύτερη υποκατάσταση επί του πυρρολικού δακτυλίου. Οι ενώσεις συντέθηκαν με την εφαρμογή γνωστών μεθόδων της βιβλιογραφίας καθώς και τροποποιήσεων αυτών. Οι σημαντικότερες τροποποιήσεις που επιχειρήθηκαν αφορούν την αντίδραση αναγωγής αρωματικής νιτρο-ομάδας κατά τη σύνθεση του παραγώγου 9, την αντίδραση σχηματισμού πυρρολικού δακτυλίου τύπου Clauson-Kaas κατά τη σύνθεση των παραγώγων 10-13 και regio-εκλεκτική ή μη αντίδραση Friedel-Crafts στα ενδιάμεσα 10-13. Από τις ενώσεις που συντέθηκαν, τη βέλτιστη αναστολή επί ενζυμικού παρασκευάσματος ALR2 από φακούς επιμύων εμφάνισε το δισ-υποκατεστημένο παράγωγο 41 με IC50 = 1,04 μΜ. Επίσης, υπολογίσθηκε η εκλεκτικότητα των ενώσεων σε σχέση με το συγγενές ένζυμο αναγωγάση των αλδεϋδών (ALR1), επί ενζυμικού παρασκευάσματος της ALR1 από νεφρούς επιμύων. Μελετήθηκαν οι δραστικότερες ενώσεις και ως περισσότερο εκλεκτική αναδείχθηκε η ένωση 41, με δείκτη εκλεκτικότητας IC50[ALR1]/IC50[ALR2] = 19,60. Υπολογίζοντας τέλος τις τιμές σημαντικών φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ενώσεων έγινε μια πρώτη εκτίμηση για την εν δυνάμει φαρμακοομοιότητά τους, αποδίδοντας θετικά αποτελέσματα για το σύνολο αυτών. Συμπερασματικά, επιτεύχθηκε η σύνθεση πρωτότυπου και εκλεκτικού ARI (41), ο οποίος κατέχει βελτιωμένες φυσικοχημικές ιδιότητες και μπορεί να αποτελέσει αρχική οδηγό ένωση για την εύρεση νέων και αποτελεσματικότερων ARIs.