Synthese und Untersuchungen zur Struktur-Aktivitäts-Beziehung enzymatisch aktivierbarer cycloSal-Pronucleotide

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und der Untersuchung der Struktur-Aktivitäts-Beziehung einer neuen Klasse von cycloSal-Pronucleotiden – den enzymatisch aktivierbaren cycloSal-d4T-monophosphaten – sowie der Darstellung und Analyse von neuartigen 5,5’-Bis-(cycloSal-d4T-monophosphaten). Dabei wurden zunächst verschiedene Diacyloxymethyl-cycloSal-d4TMPs synthetisiert. Anhand detaillierter Untersuchungen in Hydrolysestudien und in vitro-anti-HIV-Tests von 5-Diacetoxymethyl-cycloSal-d4TMPs konnte die generelle Verwendbarkeit dieser Verbindungen im Sinne des Konzepts belegt werden. Außerdem wurde die Abhängigkeit ihrer antiviralen Aktivität von der Stabilität gegenüber der chemischen und der enzymatischen Spaltung, ihrer Lipophilie, den Eigenschaften der aus ihnen durch enzymatische Spaltung freigesetzten 5-Formyl-cycloSal-d4TMPs sowie der absoluten Konfiguration gezeigt. Allerdings wurde im Inkubationsmedium der antiviralen Tests für alle 5-Diacetoxymethyl-cycloSal-d4TMPs ein starker Verlust an Hydrolysestabilität sowie eine anteilige Spaltung der Acylalfunktion festgestellt. Die analogen Verbindungen mit getauschten Positionen der Substituenten am aromatischen Ring der cycloSal-Maske zeigten keine verbesserten Eigenschaften. Deshalb wurden cycloSal-d4TMPs mit einer stärker verzweigten Acylalfunktion in der 5-Position der cycloSal-Maske entwickelt. Diese 5-Diisobutyroxymethyl-5-alkyl-cycloSal-d4TMPs wiesen die erwartete deutlich höhere Stabilität gegenüber einer enzymatischen Spaltung auf. Die Spaltung im Zellkulturmedium konnte hierdurch stark verringert, wenngleich auch nicht vollständig verhindert werden. Erstaunlicherweise führte die höhere Verzweigung der Acylalfunktion zu einem deutlichen Verlust an chemischer Hydrolysestabilität. Infolgedessen wurde ein weiterer Typ von enzymatisch aktivierbaren cycloSal-Pronucleotiden – die Enolester-substituierten cycloSal-d4TMPs – entwickelt. Um diesen Substanztyp grundlegend zu untersuchen, wurden verschiedene 5-(1-Acetoxyvinyl)-cycloSal-d4TMPs dargestellt. Für diese Enolester konnte die erwartete enzymatische Spaltung zu den entsprechenden 5-Acetyl-cycloSal-d4TMPs belegt werden. Die 3-Alkyl-substituierten Enolester zeigten vielversprechende antivirale Daten, wobei vor allem eine Weiterentwicklung der Methyl-substituierten Verbindung als sinnvoll erscheint, da hier das enzymatisch freigesetzte 5-Acetyl-3-methyl-cycloSal-d4TMP einen effektiven intrazellulären Einschluss garantiert. Diese Weiterentwicklung empfiehlt sich, da auch bei allen 5-(1-Acetoxyvinyl)-cycloSal-d4TMPs eine anteilige Spaltung im Zellkulturmedium beobachtet wurde. Die absolute Konfiguration aller im Rahmen dieser Arbeit diastereomerenrein erhaltenen cycloSal-d4TMPs konnte auf Grundlage einer Röntgenkristallstruktur des (RP)-5-Formyl-3-tert-butyl-cycloSal-d4TMPs eindeutig zugeordnet werden. Bei all diesen Verbindungen weist das SP-konfigurierte Diastereomer die bessere anti-HIV-2-Aktivität in CEM/TK--Zellen auf. In einem Butyrylcholinesterase-Inhibitions-Assay wurde ein bereits für andere diastereomeren-reine cycloSal-d4TMPs beobachteter Zusammenhang zwischen der absoluten Konfiguration am Phosphoratom und dem Inhibitionspotenzial sowie der antiviralen Effektivität bestätigt. So inhibiert in allen Fällen dasjenige Diastereomer die humane Butyrylcholinesterase schwächer oder überhaupt nicht, das die bessere antivirale Aktivität besitzt. Für die im Zuge dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen war dies in allen Fällen das SP-konfigurierte Diastereomer. Dies stellte genau den Gegensatz zu der in vorigen Arbeiten getroffenen Zuordnung dar. Aus diesem Grund wurde die seinerzeit getroffene Zuordnung überprüft und korrigiert. Des Weiteren wurden cycloSal-d4TMPs mit einem Maske-Wirkstoff-Verhältnis von 1:2 synthetisiert, wobei eine sehr effektive Syntheseroute zur Darstellung von 5,5’-Bis-(cycloSal-d4TMPs) entwickelt wurde. Auch wenn diese Verbindungen hydrolyseempfindlicher als die bereits bekannten 3,3’-Derivate waren, erwies sich das 5,5’-Bis-(3-methyl-cycloSal-d4TMP) als das einzige Biaryl-Pronucleotid, dass einen vollen Erhalt seiner antiviralen Aktivität in CEM/TK--Zellen zeigt. Der komplexe Hydrolyseweg dieser Verbindungen wurde am Beispiel des unsubstituierten 5,5’-Bis-(cycloSal-d4TMPs) untersucht. Durch die Synthese des potenziellen Hydrolyseintermediats 5-(Saligen-5’-yl)-cycloSal-d4TMP und detaillierten Hydrolysestudien in Phosphatpuffer (pH = 7.3) sowie 31P-NMR-Hydrolyseexperimenten konnte ein konsekutiver Hydrolyseweg postuliert werden.

The synthesis and investigation of the structure-activity-relationship of a new class of cycloSal-pronucleotides – enzymatically activated cycloSal-d4T-monophosphates – as well as the synthesis and the analysis of new 5,5’-bis-(cycloSal-d4T-monophosphates) have been performed. As one type of enzymatically activated cycloSal-d4TMPs different diacyloxymethyl-substituted compounds have been synthesized. Using initially synthesized 5-diacetoxymethyl-cycloSal-d4TMPs with different substituents in the 3-position of the cycloSal-mask, the general applicability with regard to the designed concept was shown. A dependence of the antiviral in vitro activity against HIV of these compounds on their hydrolysis behaviour, the absolute configuration at the phosphorus atom as well as the properties of the released respective 5-formyl-cycloSal-d4TMPs has been found. But, as a general problem, an enormous loss of hydrolysis stability and a partial cleavage of the acylal function in the cell culture medium for the antiviral testings occurred. Moving the diacetoxymethyl group to the 3-position did not result in any improvement. So, 5-diisobutyroxymethyl-3-alkyl-cycloSal-d4TMPs have been synthesized. These compounds showed the expected higher stability against enzymatic cleavage and the decomposition of the acylal-group in the culture media could be alleviated. However, these compounds have a decreased stability against chemical hydrolysis. Because no auspicious antiviral data were obtained, a new type of enzymatically activated prodrugs was developed. These 5-(1-acetoxyvinyl)-cycloSal-d4TMPs proved to release 5-acetyl compounds by intracellular enzymatic cleavage. For 3-alkyl substituted enolic esters promising antiviral data were observed. But only for the methyl substituted compound further enhancements are reasonable because only the 5-acetyl-3-methyl-cycloSal-d4TMP ensures an effective intracellular trapping due to its lower lipophilicity and its faster chemical hydrolysis. Here, further studies are necessary because a partial cleavage of the ester functionality in the cell culture medium was found for the 5-(1-acetoxyvinyl)-cycloSal-d4TMPs as well. Some of the synthesized compounds could be isolated as pure diastereomers by preparative RP-HPLC. Based on a single crystal X-ray structure of (RP)-5-formyl-3-tert-butyl-cycloSal-d4TMP all absolute configurations could be attributed. All SP-configurated compounds showed better anti-HIV-activity. In a butyrylcholinesterase inhibition assay it was shown that these compounds always have the lower inhibition potency, too. This coherence was found before but it has been attributed to the RP-configuration. This former attribution has been scrutinized and was found to be incorrect. In a further project cycloSal-prodrugs with a mask-to-drug ratio of 1:2 have been investigated and a highly efficient synthetic route to 5,5’-bis-(cycloSal-d4TMPs) has been developed. Although these compounds showed lower hydrolysis stabilities compared to the already known 3,3’-derivatives, 5,5’-bis-(3-methyl-cycloSal-d4TMP) was the only biaryl pronucleotide that retained full antiviral activity in TK deficient CEM cells. The complex hydrolysis pathway of these compounds has been studied exemplarily on the hydrolysis of unsubstituted 5,5’-bis-(cycloSal-d4TMP). By the synthesis of the possible hydrolysis intermediate 5-(saligen-5’-yl)-cycloSal-d4T-monophosphat and detailed hydrolysis studies in phosphate buffer (pH = 7.3) and in 31P-NMR experiments a consecutive pathway could be postulated.