Σύνθεση, αποτίμηση και μελέτη της σχέσης χημικής δομής βιολογικής δραστικότητας στο καρδιαγγειακό σύστημα, νέων τετραϋδροϊνδολικών παραγώγων

Abstract

Modern strategies in the field of drug discovery and development of new therapeutic agents are aiming mostly at well-characterized molecular targets in order to stimulate or inhibit specific biological actions without undesirable side-effects. Soluble guanylate cyclase (sGC) is such a molecular target that has been, among others, intensively reviewed during the last decade. Although it has been discovered as a member of the cyclase family four decades ago, the research regarding the enzyme hasn’t followed the progress made with its sibling, the adenylate cyclase. Some of the reasons for this delayed progress are summarized in the difficulties concerning the isolation, purification and manipulation of the protein as a result of its low intracellular concentration and the lack of an efficient expression system. In addition, only after the discovery of nitric oxide (NO) as a signaling molecule and its recognition as the endothelium-derived relaxing factor (EDRF) at the late ’80s, was any significant progress made in the field of sGC biological activities. The purification of the heterodimeric enzyme and the discovery of the presence of one molecule of heme per dimer shed light in the mechanism of activation of sGC by NO and the consequent catalysis of the conversion of GTP into cyclic GMP, although no exact mechanism has been proved until today. The identification of the NO/sGC/cGMP signaling pathway served the discovery that drugs such organic nitrates, which have been used for the treatment of angina pectoris for over a century, practically act as NO-donors through bioconversion and exert their actions through activation of sGC and generation of the second messenger cGMP. The above results led to the establishment of NO as a significant signaling molecule in the physiology of cardiovascular system. The following progress concerning the study of the sGC-cGMP signaling cascade revealed a broad presence in almost all the mammalian cells and an implication in many substantial physiological processes, such as cardiac homeostasis, vascular and non-vascular smooth muscle relaxation, inhibition of platelet accumulation and coagulation, peripheral and central neurotransmission, immune response, - 251 - Κατερίνα Σπυριδωνίδου: Διδακτορική Διατριβή Summary transduction of light signals and regulating function in the gastrointestinal and urogenital systems. Apart from the physiological function, the NO/sGC/cGMP pathway is implicated in the pathophysiology of certain conditions as well, such as arterial and pulmonary hypertension, heart failure, arteriosclerosis and thrombosis, diabetes, kidney fibrosis and failure, inflammatory and neurodegenerative diseases, gastrointestinal disorders, sepsis and cancer, where it could be down- or up-regulated. Due to the significance and the severity of cardiovascular disorders where the expression or the activity of the pathway substituents is downregulated, most of the following drug discovery research focused on developing new agents that activate sGC, affording not only improved NO-donors but, additionally, two new categories of NO-independent activators, involving structurally diverse compounds. Regarding the inhibition of the enzyme, progress could not be considered as high, in spite of the tremendous utility of inhibitors in elucidating the cGMP-dependent biological processes. Among other compounds such as methylene blue, LY83583, organic phosphates, nucleotide derivatives, porphyrin analogues, the most potent and selective sGC inhibitor is ODQ, which is suggested to act through oxidation of the heme iron and consequent abolishment of the enzyme NO-activation ability. ODQ’s selectivity disadvantage, though, to inhibit in vivo not only the soluble guanylate cyclase but other hemoproteins as well, results in an urgent need for new selective sGC-inhibitors.

Οι σύγχρονες στρατηγικές στην ανακάλυψη νέων βιοδραστικών ενώσεων στοχεύουν, κατά κύριο λόγο, σε καλά χαρακτηρισμένους μοριακούς στόχους με σκοπό την επαγωγή ή την αναστολή συγκεκριμένων βιολογικών δράσεων και τον περιορισμό ανεπιθύμητων παρενεργειών. Έναν ανάλογο μοριακό στόχο αποτελεί η διαλυτή γουανυλική κυκλάση (sGC), η οποία βρίσκεται στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος την τελευταία δεκαετία. Παρόλο που ανακαλύφθηκε περίπου πριν από τέσσερις δεκαετίες ως μέλος της οικογένειας των κυκλασών, η έρευνα που ακολούθησε την ανακάλυψή της δεν χαρακτηρίστηκε από την ίδια πρόοδο που χαρακτήρισε έναν άλλο εκπρόσωπο της ίδιας οικογένειας, την αδενυλική κυκλάση. Μερικοί από τους λόγους της περιορισμένης μελέτης της sGC συνοψίζονται στην χαμηλή ενδοκυτταρική της συγκέντρωση, που συνεπάγεται δυσκολίες στην απομόνωση, στον καθαρισμό και το χειρισμό της, και στην έλλειψη ενός αποτελεσματικού συστήματος έκφρασής της. Επιπρόσθετα, μόνο μετά την ανακάλυψη του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ), την αναγνώρισή του ως σηματοδοτικό μόριο καθώς και την ταυτοποίησή του ως τον EDRF στα τέλη της δεκαετίας του ’80, πραγματοποιήθηκε ουσιαστική πρόοδος στον τομέα των βιολογικών δράσεων της sGC. Ο καθαρισμός του ετεροδιμερούς ενζύμου και η ανακάλυψη ενός μορίου αίμης ανά διμερές έθεσε τη βάση για την αποσαφήνιση του μηχανισμού ενεργοποίησης της sGC από το ΝΟ και την ακόλουθη κατάλυση της μετατροπής του GTP σε κυκλικό GMP, αν και ο ακριβής μηχανισμός παραμένει μέχρι σήμερα άγνωστος. Η ταυτοποίηση, επομένως, του σηματοδοτικού μονοπατιού NO/sGC/cGMP αποτέλεσε τη βάση για την ανακάλυψη ότι φάρμακα όπως τα οργανικά νιτρώδη, που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία της στηθάγχης για περισσότερο από έναν αιώνα, δρουν στην ουσία ως δότες μονοξειδίου του αζώτου μέσω βιομετατροπής τους και ασκούν τη δράση τους μέσω ενεργοποίησης της sGC και παραγωγής, ακολούθως, του δεύτερου αγγελιοφόρου cGMP. Tα παραπάνω δεδομένα οδήγησαν στον προσδιορισμό του ΝΟ ως σημαντικού σηματοδοτικού μορίου στη φυσιολογία καταρχήν του καρδιαγγειακού συστήματος. Η πρόοδος που ακολούθησε τη μελέτη του sGC-cGMP μονοπατιού αποκάλυψε την ευρεία παρουσία του ενζύμου - 243 - Κατερίνα Σπυριδωνίδου: Διδακτορική Διατριβή Περίληψη σχεδόν σε όλα τα κύτταρα των θηλαστικών και την εμπλοκή του σε ουσιαστικές φυσιολογικές λειτουργίες, όπως την καρδιακή ομοιόσταση, τη χάλαση αγγειακών και μη λείων μυικών ινών, την αναστολή της συσσώρευσης/συγκόλλησης αιμοπεταλίων, την περιφερειακή και κεντρική νευροδιαβίβαση, την ανοσολογική απόκριση, τη μεταγωγή του οπτικού ερεθίσματος, ενώ παρουσιάζει και ρυθμιστική δράση στο γαστρεντερικό και ουρογεννητικό σύστημα. Ταυτόχρονα, απορρύθμιση του σηματοδοτικού μονοπατιού έχει διαπιστωθεί να εμπλέκεται στην φυσιολογία και την εξέλιξη συγκεκριμένων παθολογικών καταστάσεων όπως αρτηριακή και πνευμονική υπέρταση, καρδιακή ανεπάρκεια, αρτηριοσκλήρυνση και θρόμβωση, διαβήτης, νεφρική ίνωση και ανεπάρκεια, φλεγμονώδεις και νευροεκφυλιστικές παθήσεις, γαστρεντερικές διαταραχές, σήψη και καρκίνος, όπου εντοπίζεται είτε να υπερλειτουργεί είτε να υπολειτουργεί. Εξαιτίας της σπουδαιότητας και της σοβαρότητας των καρδιαγγειακών παθήσεων, όπου το σηματοδοτικό μονοπάτι υπολειτουργεί, το μεγαλύτερο κομμάτι της έρευνας που ακολούθησε σχετικά με την ανακάλυψη νέων βιοδραστικών ενώσεων εστίασε κυρίως στην ανάπτυξη αγωνιστών της sGC, παρέχοντας όχι μόνο ΝΟ-δότες με βελτιωμένες ιδιότητες αλλά, επιπρόσθετα, δύο νέες κατηγορίες ΝΟ- ανεξάρτητων ενεργοποιητών που περιλαμβάνουν διακριτές δομικά ενώσεις. Η πρόοδος, ωστόσο, στην αναστολή του ενζύμου κρίνεται εμφανώς υποδεέστερη, παρόλη την προφανή σπουδαιότητα ανάλογων ενώσεων στη διερεύνηση των cGMP-εξαρτώμενων βιολογικών δράσεων.