Assay-Entwicklung und Inhibitorsynthese für die Trans-sialidase aus Trypanosoma cruzi

Abstract

Die Trans-sialidase aus Trypanosoma cruzi (TcTS) ist ein Schlüsselenzym in der Pathogenese der südamerikanischen Trypanomiasis, der Chagas-Krankheit. Mithilfe dieses Enzyms übertragen die Erreger der Krankheit Sialinsäurereste von Wirtszellen auf ihre eigenen Zelloberflächenglycane. Dieser Vorgang ist für die Zellinvasion der Trypanosomen unerläßlich, weshalb TcTS ein geeigneter Ansatzpunkt für die Entwicklung von neuen Therapien für die Chagas-Krankheit ist. In dieser Arbeit wurden aufgrund der bekannten Kristallstruktur von TcTS neue C-glycosidische N-Acetylneuraminsäurederivate als potentielle Inhibitoren bzw. Modulatoren der Enzymaktivität synthetisiert. Dabei spielte vor allem die Tatsache eine Rolle, dass die gegenüber der Hydrolyse von Sialosiden bevorzugte Transsialylierung bei TcTS auf das Vorhandensein einer aus zwei aromatischen Aminosäuren gebildeten Bindungsstelle für das Akzeptorsubstrat (acceptor binding site) zurückzuführen ist. Die Bindung an die acceptor binding site wurde in den neu synthetisierten Liganden durch aromatische Reste bewerkstelligt, die durch π-Wechselwirkungen die hydrophobe Interaktion der Galactoside mit den aromatischen Aminosäuren mimikrieren sollten. Dafür spielte als Synthese-Methode vor allem die Ruthenium-katalysierte Kreuzmetathese von Allyl-Cglycosiden mit Styrol-Derivaten aber auch mit olefinischen Kohlenhydratresten eine Rolle. SPR-Bindungsstudien bestätigten die Wirksamkeit dieser Konzeption: Die Anwesenheit eines aromatischen Restes im C-Glycosid der N-Acetylneuraminsäure führt zu einer millimolaren Dissoziationskonstante, während das α-Allyl-C-glycosid ohne aromatischen Rest nicht bindet. Eine NMR-basierte Reaktionsverfolgung der TcTS-katalysierten Sialylierung von Methylallolactosid mit p-Nitrophenylsialosid (pNP-Neu5Ac) zeigte den Einfluß des Liganden mit der höchsten Affinität auf die enzymatische Aktivität: eine 1 millimolare Konzentration des Liganden führte zu einer Verminderung der enzymatischen Aktivität von 44%. Die neue Struktur der Liganden und die mit guten Ausbeuten in wenigen Schritten durchführbare Synthese bietet einen Ansatz für weitere Untersuchungen. Insbesondere mit der Kreuzmetathese ist durch die Verwendung unterschiedlicher ungesättigter Reaktionspartner der Aufbau von Liganden-Bibliotheken möglich. Wie die Synthese eines C-glycosidischen α,2-6-Sialyllactose-Analogons in dieser Arbeit zeigt, ist die Anwendung der gezeigten Syntheseroute auf die Entwicklung von Liganden für andere Targets ohne weiteres möglich.

The trans-sialidase of Trypanosoma cruzi (TcTS) is a key enzyme in the pathogenesis of the South American trypanomiasis, Chagas disease. Utilizing this enzyme the pathogen transfers sialic acid from host cells to its own cell surface glycans. This process is essential for host cell invasion, thus TcTS is a convenient target for the development of new treatments for Chagas disease. In this thesis new C-glycosidic derivatives of sialic acid were synthesized as potential inhibitors or modulators of enzyme activity, based on the known crystal structure of TcTS. The main goal was to address the acceptor binding site, composed of two aromatic amino acid residues. Binding to the acceptor binding site was accomplished by including aromatic residues in the newly synthesized ligands. The synthetic method of choice was primarily the ruthenium catalyzed cross metathesis of allyl C-glycosides with derivatives of styrene and sugar olefins. Binding studies by SPR confirmed the efficacy of this approach: presence of an aromatic residue in the C-sialoside resulted in a millimolar dissociation constant whereas the α-allyl C-sialoside lacking an aromatic residue exhibited no binding at all. A NMR based measurement of substrate conversion applying the TcTS catalyzed reaction of p-nitrophenyl sialoside with methyl allolactoside revealed the influence of the best ligand on enzymatic activity: presence of the ligand (1 mM) in the reaction mixture resulted in a 44% loss of enzyme activity. The new design of ligands and the facile synthesis featuring high yields in few steps present an attractive perspective for further investigations. Establishing a ligand library by applying the cross metathesis protocol to a variety of unsaturated reagents could be a straightforward attempt to optimize ligands and find low concentration inhibitors for TcTS. As shown by the synthesis of a C-glycosidically linked α,2-6-sialyl lactose analogue, the application of the synthetic pathway to the development of ligands for targets other than TcTS is also a promising task.