Evaluation and optimisation of nucleoside triphosphate analogues as antiviral prodrugs

Abstract

Over the past 40 years, human immunodeficiency virus (HIV) research has evolved from a quest to understand the virus to a multifaceted endeavour aimed at developing effective treatments and prevention strategies. This thesis highlights key milestones in this journey and focuses on recent developments concerning nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTIs). One such approach lies in the development of robust and flexible prodrug systems that can target not only HIV but also other diseases, like SARS-CoV-2 or Alzheimer’s’ disease. The prodrug strategy was pioneered by MEIER et al., culminating in the development of triphosphate prodrugs (TriPPPro) and -alkyl triphosphate prodrugs. These prodrugs offer a versatile platform for drug delivery, enabling the adaptation of existing NRTIs to multiple pathological targets. This work established methods to evaluate the efficacy and safety of these prodrugs through a responsive workflow that used data acquired from primer extension assays and testing in HIV-infected cell lines to infer new designs for prodrug delivery to yield better overall pharmacological profiles. As a result of the acquired data, four highly active NRTIs were transformed into their prodrugs,  alkyl triphosphates and triphosphates. It was found that adjustments according to the biological data led to significant improvements in the pharmacological profiles of thymidine derivatives.

In den letzten 40 Jahren hat sich die Forschung zum humanen Immundefizienzvirus (HIV) von einem schlichten Bestreben, das Virus zu verstehen, zu einer vielschichtigen Aufgabe entwickelt. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung wirksamer Behandlungen und Präventionsstrategien. Diese Arbeit beleuchtet wichtige Meilensteine dieses Weges und konzentriert sich auf die jüngsten Entwicklungen im Bereich Nucleosid Reverse Transkriptase Inhibitoren (NRTIs). Ein solcher Ansatz liegt in der Entwicklung robuster und flexibler Prodrug-Systeme, die nicht nur gegen HIV, sondern auch gegen andere Krankheiten wie SARS-CoV-2 oder Alzheimer wirksam sein können. Dieser Ansatz wurde von MEIER et al. entwickelt und fand seinen Höhepunkt in der Entwicklung von Triphosphat-Prodrugs (TriPPPro) und -Alkyltriphosphat-Prodrugs, welche eine vielseitige Plattform für die Wirkstofffreisetzung bieten und die Anpassung vorhandener NRTIs an verschiedene pathologische Ziele ermöglichen. Diese Arbeit zielt darauf ab, Methoden zur Bewertung der Wirksamkeit und Sicherheit dieser Prodrugs zu erforschen und durch einen reaktionsfähigen Arbeitsablauf die gewonnenen Informationen zu nutzen, um neue Ansätze für die Prodrug-Freisetzung abzuleiten und so insgesamt bessere pharmakologische Profile zu erzielen. Die Kombination hochaktiver NRTIs mit dem anpassungsfähigen Nucleotid-Prodrug-System könnte das Interesse an neuartigen NRTI-Prodrugs gegen HIV erneuern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden zur Bewertung der Wirksamkeit und Sicherheit dieser Prodrugs durch einen anpassungsfähigen Arbeitsablauf entwickelt, bei dem Daten aus Primer-Verlängerungsstudien und Tests in HIV-infizierten Zelllinien verwendet wurden. Daraus folgend sollten neue Designs für Prodrug-Verabreichung abgeleitet werden, die ein besseres pharmakologisches Gesamtprofil zur Folge haben. Als Ergebnis der gewonnenen Daten wurden vier hochaktive NRTIs in ihre Prodrugs, -Alkyltriphosphate und Triphosphate, umgewandelt. Es zeigte sich, dass die Anpassung dieser Systeme auf Grund biologischer Daten zu erheblich Verbesserungen der pharmakologischen Profile der Thymidin-Derivate führte.