Σχεδιασμός και σύνθεση αναστολέων των κινασών MARK

Abstract

MARK4 kinase is considered a promising target in drug design for the treatment of a wide range of diseases, including cancer, diabetes, and neurodegenerative disorders. The aim of the present PhD thesis was the design, synthesis and characterization of compounds that will potently inhibit the enzyme activity of MARK4. The selected compounds are divided into three categories: a) bisindole pyrroles and indolocarbazoles, b) acridone derivatives and c) proteolysis targeting chimeras bearing acridone. In the first part of the present thesis, bisindole pyrroles and indolocarbazoles were designed as potential MARK4 inhibitors. Both structures and the designed synthetic route were inspired by the biosynthetic pathway of staurosporine. First, the molecular docking studies were performed and the possible binding mode and interactions of the tested bisindoles with the catalytic domain of MARK4 were found. Afterwards, a synthetic route was designed and the synthesis of 21 bisindole derivatives was achieved, of which 6 are natural products and 10 have not been synthesized before. Their biological evaluation showed that they inhibit MARK4 with IC50 values in the low micromolar range with lynamicin G being the most potent. At the second part of the present thesis, the design of N-acetic acid derivatives of 2-methylacridone as potential inhibitors of MARK4 is described. The initial in silico molecular docking experiments involved amide derivatives of acridone to investigate their binding to the catalytic domain of MARK4. The in vitro results showed that these compounds inhibit the kinase activity of MARK4. Then, further docking studies were carried out to find more potent and selective inhibitors. Among the tested derivatives, the acridone-piperazine and acridone-tryptophan hybrids had the best in silico results. The synthesis of 18 new acridones bearing the piperazine moiety and 14 new L-tryptophan-acridone hybrids was achieved. During the third part of the present thesis, seven proteolysis targeting chimeras, carrying the N-acetic acid of 2-methylacridone as MARK4 inhibitor were designed and synthesized. Pomalidomide, which binds to CRBN E3 ligase, and VHL ligand 1, which binds to pVHL E3 ligase, were chosen and synthesized as ligase ligands. Alkyl and ether chains, as well as heterocyclic rings were chosen as linkers and through molecular docking studies was confirmed that the designed compounds do not affect the interactions of the selected inhibitor with the kinase. Six pomalidomide-linked protacs were chosen to be synthesized and the synthesis of four of them was achieved. In addition, 3 protacs bearing VHL ligand 1 as ligand were prepared.

Η κινάση MARK4 θεωρείται ένας πολλά υποσχόμενος στόχος στον σχεδιασμό φαρμάκων για τη θεραπεία ενός ευρέος φάσματος ασθενειών, συμπεριλαμβανομένων του καρκίνου, του διαβήτη και των νευροεκφυλιστικών διαταραχών. Στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε ο σχεδιασμός, η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός ενώσεων που θα αναστέλλουν ισχυρά τη δράση κινάσης της MARK4. Οι ενώσεις που επιλέχθηκαν διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: α) τα δισινδολο πυρρόλια και τα ινδολοκαρβαζόλια, β) τα παράγωγα ακριδόνης και γ) τις πρωτεολυτικές χίμαιρες ακριδόνης. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής σχεδιάστηκαν δισινδολο πυρρόλια και ινδολοκαρβαζόλια, ως πιθανοί αναστολείς της MARK4. Πηγή έμπνευσης, τόσο για τις δομές όσο και για τη σύνθεση, αποτέλεσε το βιοσυνθετικό μονοπάτι της σταυροσπορίνης. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η in silico μελέτη μοριακής πρόσδεσης και βρέθηκε ο πιθανός τρόπος δέσμευσης των δισινδολο παραγώγων και οι αλληλεπιδράσεις τους με την καταλυτική περιοχή της MARK4. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε η συνθετική πορεία και επιτεύχθηκε η σύνθεση 21 δισινδολο παραγώγων, εκ των οποίων έξι είναι φυσικά προϊόντα και δέκα από αυτά δεν έχουν ξανασυντεθεί. Η βιολογική τους αξιολόγηση έδειξε ότι είναι αναστολείς της MARK4 με τιμές IC50 στη χαμηλή μικρογραμμομοριακή περιοχή, με ισχυρότερη τη λυναμικίνη G. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται ο σχεδιασμός παραγώγων του Ν-οξικού οξέος της 2-μεθυλακριδόνης, ως πιθανών αναστολέων της δράσης κινάσης της MARK4. Τα αρχικά in silico πειράματα μοριακής πρόσδεσης αφορούσαν αμιδικά παράγωγα ακριδόνης, με σκοπό τη διερεύνηση του τρόπου δέσμευσής τους στην καταλυτική περιοχή της MARK4. Τα in vitro αποτελέσματά τους έναντι της δράσης κινάσης της MARK4 ήταν ικανοποιητικά, και οδήγησαν στον σχεδιασμό νέων ακριδονών. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω in silico μελέτες, με σκοπό την εύρεση ισχυρότερων και περισσότερο εκλεκτικών αναστολέων. Από τα παράγωγα που ελέγχθηκαν, τα καλύτερα in silico αποτελέσματα είχαν τα παράγωγα ακριδόνης-πιπεραζίνης και ακριδόνης-τρυπτοφάνης. Έπειτα, συντέθηκαν 18 νέες ακριδόνες, που φέρουν στον σκελετό τους την πιπεραζίνη και 14 νέα παράγωγα L-τρυπτοφάνης-ακριδόνης. Τέλος, κατά το τρίτο μέρος της διατριβής σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν επτά πρωτεολυτικές χίμαιρες, οι οποίες φέρουν ως αναστολέα το Ν-οξικό οξύ της 2-μεθυλακριδόνης και θα στοχεύουν στην πρωτεόλυση της MARK4. Επιλέχθηκαν και συντέθηκαν, ως προσδέτες Ε3 λιγάσης, η πομαλιδομίδη - η οποία δεσμεύεται στη CRBN - και το VHL ligand 1 - το οποίο δεσμεύεται στη pVHL. Ως συνδέτες επιλέχθηκαν αλκυλο και αιθερικές αλυσίδες, καθώς και ετεροκυκλικοί δακτύλιοι, και μέσω υπολογιστικών μελετών μοριακής πρόσδεσης, επιβεβαιώθηκε ότι οι πρωτεολυτικές χίμαιρες, που σχεδιάστηκαν, δεν επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις του αναστολέα με την κινάση. Επιλέχθηκαν να συντεθούν έξι πρωτεολυτικές χίμαιρες με προσδέτη την πομαλιδομίδη και επιτεύχθηκε η σύνθεση τεσσάρων εξ αυτών. Επιπλέον, συντέθηκαν τρεις πρωτεολυτικές χίμαιρες με προσδέτη το VHL ligand 1.